CN112045309B - 一种靶材用水路背板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种靶材用水路背板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在铜背板主体上加工T型槽，T型槽包括由上至下排列的盖板槽和水槽；(2)在盖板槽上放置盖板，得到待焊接水路铜背板；(3)将焊接工件固定在刚性工装上；(4)在待焊接水路铜背板的上方设置激光器；(5)先对待焊接水路铜背板进行点焊；(6)进行一次焊接；(7)进行二次焊接：将焊针逐渐旋转入接缝，使焦点位于铜背板主体和盖板之间的接缝处，然后同时开启搅拌摩擦头和激光器，并同时向焊接方向同步按相同的进给量进给搅拌摩擦头和焦点。本发明靶材用水路背板的制备方法提高了靶材用水路背板的焊接效率和搅拌摩擦头的使用寿命。

Description

一种靶材用水路背板的制备方法
技术领域
本发明涉及靶材技术领域，特别是涉及一种靶材用水路背板的制备方法。
背景技术
在磁控溅射过程中，由于高速粒子不断轰击靶材，动能转换成热能，靶材因此会产生大量热量，如果这些热量无法及时传递，会引起靶材和背板变形，造成背板扭曲，影响背板使用效果，同时导致靶材过热而造成脱靶现象，产生的热还会对通过溅射而形成的基板薄膜的特性造成影响。故靶材温度必须控制在一定范围内，开发出有高效率冷却功能的水路铜背板具有重要意义。
目前水路铜背板的常用焊接方法有电子束焊接和搅拌摩擦焊接。电子束焊接对焊接环境要求高，必须在真空环境下，且表面机械加工后外观有明显焊接痕迹；搅拌摩擦焊接过程会把背板上氧化物、油污等异物带入焊缝里，降低搅拌层的质量，存在预热慢导致输入热量不够并产生缺陷，焊接效率低，搅拌摩擦头寿命短等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种靶材用水路背板的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高靶材用水路背板的焊接效率和搅拌摩擦头的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种靶材用水路背板的制备方法，包括以下步骤：
(1)在铜背板主体上加工T型槽，所述T型槽包括由上至下排列的盖板槽和水槽；
(2)在盖板槽上放置盖板，得到待焊接水路铜背板，然后用压板将所述盖板压紧，从而固定所述盖板；
(3)将焊接工件固定在刚性工装上；
(4)在所述待焊接水路铜背板的上方设置激光器，所述焊接工件的搅拌摩擦头和所述激光器发射的激光束沿焊接方向排列；
(5)先对所述待焊接水路铜背板进行点焊：在所述铜背板主体和所述盖板之间的接缝以均匀距离选取多个点焊位置，然后将所述搅拌摩擦头的焊针伸入所述接缝，通过所述焊针的高速旋转，使所述铜背板主体和所述盖板紧密焊接固定；
(6)进行一次焊接：调节所述搅拌摩擦头的转速为600r/min-700r/min，并使所述搅拌摩擦头边旋转，边沿所述接缝向焊接方向移动，从而使所述铜背板主体和所述盖板紧密融合一起；
(7)进行二次焊接：将所述焊针逐渐旋转入所述接缝，使所述搅拌摩擦头的轴肩伸至所述所述待焊接水路铜背板的顶面并下压0.2-0.5mm，然后调节所述激光束的焦点，使所述焦点位于所述铜背板主体和所述盖板之间的接缝处，然后同时开启所述搅拌摩擦头和所述激光器，并同时向焊接方向同步按相同的进给量进给所述搅拌摩擦头和所述焦点。
优选的，所述焦点在水平方向和所述搅拌摩擦头的距离为3-5mm。
优选的，所述盖板槽的宽度大于所述水槽的宽度。
优选的，所述盖板与所述盖板槽匹配，且所述盖板与所述盖板槽之间的间隙在0.2mm内。
优选的，在步骤(3)中，将所述焊接工件上的搅拌摩擦头的倾斜角调整为3°-5°，以使经过搅拌后的材料，高效地从所述搅拌摩擦头前端转移到后端，并通过搅拌头轴肩对后端的材料提供足够的锻压力，形成高质量的焊缝。
优选的，在步骤(7)中，所述焊针进行旋转并产生摩擦热量，使所述接缝处述铜背板主体和所述盖板的温度升高而发生塑性变形，在所述轴肩与所述待焊接水路铜背板的表层摩擦生热和锻压力的作用下，所述盖板和所述铜背板主体熔合为一体，最后将匙孔留在所述铜背板主体边缘的余量位置上，精加工时将所述匙孔切去即可。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明靶材用水路背板的制备方法提高了靶材用水路背板的焊接效率和搅拌摩擦头的使用寿命。本发明靶材用水路背板的制备方法在搅拌摩擦焊接前，先用高功率的激光器清除铜板表面油污、氧化物等异物，避免杂质带入搅拌层，能够显著提高焊接层的质量。激光束能够瞬间提高待焊接材料的温度，降低预热时间，提升焊接速率，延长搅拌摩擦头寿命。通过搅拌摩擦头与铜板的摩擦，摩擦热使该部位处于热变形塑性状态，并在搅拌轴肩压力的作用下，从前端向后端塑性流动，从而使背板主体和盖板融合一起，焊后接头处内应力小，变形小，还有力学性能好、环保、节能、无飞溅、无需添加焊丝等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明靶材用水路背板的制备方法实施例一的焊接示意图；
图2为本发明靶材用水路背板的制备方法实施例一的流程图；
图3为图1的横截面示意图；
图4为本发明靶材用水路背板的制备方法实施例二和实施例三的焊接示意图；
其中：1、盖板；2、铜背板主体；3、待焊接水路铜背板；4、水槽；5、盖板槽；6、搅拌摩擦头；7、焊针；8、接缝；9、激光束；10、轴肩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种靶材用水路背板的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高靶材用水路背板的焊接效率和搅拌摩擦头的使用寿命。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1至图3所示：本实施例提供了一种靶材用水路背板的制备方法，包括以下步骤：
(1)在铜背板主体2上加工T型槽，T型槽包括由上至下排列的盖板槽5和水槽4，盖板槽5的宽度大于水槽4的宽度；铜背板主体2采用无氧铜板，长为500mm，宽为150mm，厚为20mm，硬度为87HV；
(2)在盖板槽5上放置盖板1，得到待焊接水路铜背板3，盖板1亦采用无氧铜板，盖板1与盖板槽5匹配，且盖板1与盖板槽5之间的间隙在0.2mm内，然后用压板将盖板1压紧，从而固定盖板1，防止焊接过程盖板1移位；
(3)将焊接工件固定在刚性工装上，将焊接工件上的搅拌摩擦头6的倾斜角调整为3°-5°，以使经过搅拌后的材料，高效地从搅拌摩擦头6前端转移到后端，并通过搅拌头轴肩对后端的材料提供足够的锻压力，形成高质量的焊缝；
(4)在待焊接水路铜背板3的上方设置高功率的CO2激光器，激光束9的方向同待焊接水路铜背板3焊接面的垂直方向的夹角为α(10°≤α≤25°)，焊接工件的搅拌摩擦头6和激光器发射的激光束9沿焊接方向排列；
(5)先对待焊接水路铜背板3进行点焊：在铜背板主体2和盖板1之间的接缝8以均匀距离选取多个点焊位置，然后将搅拌摩擦头6的焊针7伸入接缝8，通过焊针7的高速旋转，使铜背板主体2和盖板1紧密焊接固定；
(6)进行一次焊接：调节搅拌摩擦头6的转速为600r/min-700r/min，并使搅拌摩擦头6边旋转，边沿接缝8向焊接方向移动，从而使铜背板主体2和盖板1紧密融合一起；
(7)进行二次焊接：将焊针7逐渐旋转入接缝8，使搅拌摩擦头6的轴肩10伸至待焊接水路铜背板3的顶面并下压0.2-0.5mm，然后调节激光束9的焦点，使焦点位于铜背板主体2和盖板1之间的接缝8处，焦点在水平方向和搅拌摩擦头6的距离为3-5mm，然后同时开启搅拌摩擦头6和激光器，并同时向焊接方向同步按相同的进给量进给搅拌摩擦头6和焦点；焊针7进行旋转并产生摩擦热量，使接缝8处述铜背板主体2和盖板1的温度升高而发生塑性变形，在轴肩10与待焊接水路铜背板3的表层摩擦生热和锻压力的作用下，盖板1和铜背板主体2熔合为一体，最后将匙孔留在铜背板主体2边缘的余量位置上，精加工时将匙孔切去即可；
(8)焊接后的铜背板经校正、铣面、钻孔、抛光等工序制成靶材用水路铜背板。
经测试最终得到的靶材用水路铜背板平面度为0.5mm，焊接时间为25分钟，接缝8处未发现沟槽、气孔等缺陷，氦气测漏量3*10-9Pa·m3/s，硬度达到83HV。
激光束9能够瞬间提高待焊部位温度，使其发生塑性变形后立即进行搅拌摩擦焊接，大大节约搅拌摩擦焊预热时间，可提升焊接速度和生产效率。激光束9聚焦于铜背板焊接接缝8处，使光斑照射在盖板1和盖板1的接缝8处，搅拌摩擦头6与已激光照射过并产生高温的铜背板接触，可降低搅拌摩擦头6的温度，减少搅拌摩擦头6损耗并延长其寿命，经过检测焊接层质量明显改善，焊缝表面更加美观。激光束9同时能够清除铜板表面油污及氧化物等异物，避免在焊接过程掺入杂质，能够提高焊接层质量。激光器除污的原理是：利用高频高能的激光脉冲照射铜背板表面时，涂覆层会瞬间吸收聚焦激光能量，使表面氧化物、油污、锈斑瞬间蒸发或剥离，在等离子体分离后，由于底层金属对光的高反射率，且照射时间短，不会对材料本身特性造成损坏。
实施例二
如图4所示，本实例采用单独搅拌摩擦焊接方法，工艺流程、参数和实施例一相同：
在盖板11覆盖在铜背板主体22上，通过点焊和一次焊接后，搅拌摩擦头6的焊针77逐渐旋转入铜背板主体22和盖板11的接缝8处，转速：600r/min，进给量：230mm/min，搅拌摩擦头6的轴肩1010伸至接触面并下压0.2-0.5mm，预热后的搅拌摩擦头6焊针77沿铜背板主体22和盖板11融合的接缝88处进行移动且焊针7进行旋转并产生摩擦热量，使接缝8处的材料温度升高而发生塑性变形，在搅拌摩擦头6轴肩1010与铜板表层摩擦生热和锻压力的作用下，使盖板11和铜背板主体22熔合一起,将匙孔留在铜板边缘的余量位置上，精加工时将匙孔切去。
以上水路铜背板经测试，平面度0.3mm，焊接时间25分钟，接缝8处有多处沟槽等缺陷，硬度达到82HV。
实施例三
如图4所示，本实例在实施例二基础上，焊接速度相比实施例二减小一半左右：
在盖板11覆盖在铜背板主体22上，通过点焊和一次焊接后，搅拌摩擦头6的焊针77逐渐旋转入铜背板主体22和盖板11的接缝8处，转速：600r/min，进给量：130mm/min，搅拌摩擦头6的轴肩1010伸至接触面并下压0.2-0.5mm，预热后的搅拌摩擦头6焊针77沿铜背板主体22和盖板11融合的接缝88处进行移动且焊针7进行旋转并产生摩擦热量，使接缝8处的材料温度升高而发生塑性变形，在搅拌摩擦头6轴肩1010与铜板表层摩擦生热和锻压力的作用下，使盖板11和铜背板主体22熔合一起,将匙孔留在铜板边缘的余量位置上，精加工时将匙孔切去。
以上水路铜背板经测试，平面度1mm，焊接时间43分钟，接缝8处无沟槽等缺陷。氦气测漏量9*10-9Pa·m3/s，硬度达到78HV。
实施例一、实施例二和实施例三所得到的靶材用水路背板的参数对比图如下表所示：
Figure BDA0002686284380000061
从上表可以看出，采用激光和搅拌摩擦焊相复合的焊接方法相比单独搅拌摩擦焊接方法，具有变形量小、焊接效率高、焊接层质量高、焊接性能良好等优点，更是一种新型、高效的靶材用的水路铜背板制备方法。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种靶材用水路背板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在铜背板主体上加工T型槽，所述T型槽包括由上至下排列的盖板槽和水槽；
(2)在盖板槽上放置盖板，得到待焊接水路铜背板，然后用压板将所述盖板压紧，从而固定所述盖板；所述盖板槽的宽度大于所述水槽的宽度；所述盖板与所述盖板槽匹配，且所述盖板与所述盖板槽之间的间隙在0.2mm内；
(3)将焊接工具固定在刚性工装上，将所述焊接工具上的搅拌摩擦头的倾斜角调整为3°-5°，以使经过搅拌后的材料，高效地从所述搅拌摩擦头前端转移到后端，并通过搅拌头轴肩对后端的材料提供足够的锻压力，形成高质量的焊缝；
(4)在所述待焊接水路铜背板的上方设置高功率激光器，所述焊接工具的搅拌摩擦头和所述高功率激光器发射的激光束沿焊接方向排列，所述高功率激光器发射的激光束能够清除待焊接部位表面的异物，所述异物包括油污和氧化物；
(5)先对所述待焊接水路铜背板进行点焊：在所述铜背板主体和所述盖板之间的接缝以均匀距离选取多个点焊位置，然后将所述搅拌摩擦头的焊针伸入所述接缝，通过所述焊针的高速旋转，使所述铜背板主体和所述盖板紧密焊接固定；
(6)进行一次焊接：调节所述搅拌摩擦头的转速为600r/min-700r/min，并使所述搅拌摩擦头边旋转，边沿所述接缝向焊接方向移动，从而使所述铜背板主体和所述盖板紧密融合一起；
(7)进行二次焊接：将所述焊针逐渐旋转入所述接缝，使所述搅拌摩擦头的轴肩伸至所述待焊接水路铜背板的顶面并下压0.2-0.5mm，然后调节所述激光束的焦点，使所述焦点位于所述铜背板主体和所述盖板之间的接缝处，然后同时开启所述搅拌摩擦头和所述高功率激光器，并同时向焊接方向同步按相同的进给量进给所述搅拌摩擦头和所述焦点；所述焦点在水平方向和所述搅拌摩擦头的距离为3-5mm；所述焊针进行旋转并产生摩擦热量，使所述接缝处所 述铜背板主体和所述盖板的温度升高而发生塑性变形，在所述轴肩与所述待焊接水路铜背板的表层摩擦生热和锻压力的作用下，所述盖板和所述铜背板主体熔合为一体，最后将匙孔留在所述铜背板主体边缘的余量位置上，精加工时将所述匙孔切去即可。
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