CN112427793A - 一种针对电子束焊接气孔的填补方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对电子束焊接气孔的填补方法，所述填补方法先确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M，测量所述电子束焊接气孔的直径D，再根据所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，然后通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内。本发明所述填补方法可以针对电子束焊接气孔进行有效地填补，尤其适用于带有气孔缺陷的铝溅射靶材组件，使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

Description

一种针对电子束焊接气孔的填补方法

技术领域

本发明涉及电子束焊接技术领域，尤其涉及一种针对电子束焊接气孔的填补方法。

背景技术

在半导体工业领域，通常要将符合溅射靶材性能的高纯度铝或铝合金靶材与高强度铝背板经过焊接成形，然后再经过粗加工、精加工等工艺，最后加工成尺寸合格的铝溅射靶材组件。对于铝溅射靶材组件来说，焊接后的高纯度铝或铝合金靶材表面温度不能高于其再结晶温度，否则会导致靶材内部晶粒大小和取向的变化，并且铝合金的导热系数特别大，传热迅速，只有采用能量非常密集的热源才有可能确保焊缝熔化的同时还可以有效控制靶材表面温度，目前的焊接方法中通常只有电子束焊接和激光焊接能满足这一要求，但激光焊接的投资过于巨大，因而人们往往选择电子束焊接。电子束焊接是指利用高能电子束轰击焊缝材料表面，产生的热量使得焊缝处需要焊接的一种或多种金属熔化，从而完成焊接过程。

由于溅射靶材的工作环境为真空状态下的高温高压，一般其工作温度要高达300-400℃，而且靶材组件的背板一侧充以冷却水强冷，靶材一侧则处在10^-9Pa的高真空下，因此在两侧形成了一个巨大的压力差。如果焊缝存在较大或者较多的气孔，则由于气孔的隔热作用使得气孔周围温度急剧上升，明显高于周边区域，当温度上升到铝或者铝合金的熔点后，有可能导致焊缝开裂，甚至导致靶材脱落损伤溅射机台；此外，如果焊缝中气孔比较多以致形成通孔，冷却水会在压力差作用下渗漏到另一侧，损害溅射设备。由于溅射设备属于昂贵的高精密设备，因此，电子束焊接时对焊缝中气孔率的控制十分重要。

然而，当采用电子束焊接对高纯度铝或铝合金靶材与高强度铝背板进行焊接成形时，由于在前期的熔炼阶段往往采取了各种手段，使得铝或者铝合金材料吸收的氢不能形成气孔，而以氢原子的形式存在于铝或者铝合金材料中，当进行电子束焊接时，焊缝处的高温给氢原子提供了足够的能量，使其扩散到一起形成气孔，同时由于焊缝处温度升高，氢的溶解度急剧上升，焊缝周围热影响区内的氢原子也会向焊缝中扩散，再加上外界的水、有机物等分解出的氢也会被焊缝吸收，使得焊缝处的氢含量越聚越多。由于电子束焊接的速度较快，导致冷却过程中聚集的气泡来不及从焊缝中逸出，使得焊缝中往往会出现大量的密集型气孔。

为了消除铝或铝合金在电子束焊接过程中产生的气孔缺陷，现有技术公开了一些改进后的电子束焊接方法。例如CN1962153A公开了一种真空电子束焊接方法，在施行完第一次真空电子束焊接后进行真空保温，促使热影响区的氢原子大部分富集于焊缝并形成气孔，再施行第二次真空电子束焊接去除这些气孔，同时，对焊接完毕的靶材组件进行急冷淬火也防止少量剩余的氢原子扩散形成气孔，从而能有效控制最终靶材组件焊缝中的气孔率。

CN101690991A公开了一种铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，在真空电子束焊接过程中施加一定频率和振幅的结构负载超声波能量，超声波频率为15～50kHz，振幅为10～50μm，对真空电子束焊接产生的熔池及其附近区域进行一定程度的连续振荡，可在焊接过程中对气孔、冷隔等空腔型缺陷进行有效消除，获得优质的焊接接头。

CN109604800A公开了一种可克服气孔缺陷的铝合金厚板真空电子束三步焊接方法，具体包括对铝合金板的两对焊面采用电子束进行上散焦预热焊、大熔深穿孔焊、重熔修饰焊，其中，设定扫描图形为“○”型，使得电子束在沿着焊缝方向移动时，在垂直焊缝方向上也作左右移动，大幅度降低了焊缝中所形成的氢气孔，焊缝质量得到了大幅度的提高。

CN111014927A公开了一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，该焊接方法采用真空电子束焊接方法，电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以“8”形扫描轨迹为重复单元，由多个“8”形扫描轨迹交错排列而成，其中，所述“8”形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。所述焊接方法适用于因在铸造铝合金中添加锶变质剂使得合金吸氢造成针孔倾向较大、材料致密性较差的材料，也可适用于普通的铸造铝合金的焊接中，适用广泛，对消除气孔有极佳的效果，且极大增强了焊接处的抗拉强度。

虽然现有技术公开了一些改进后的电子束焊接方法，减小了铝或铝合金在电子束焊接过程中会产生气孔缺陷的发生概率，但是仍然存在约10％的发生概率，如果带有气孔缺陷的铝溅射靶材组件不能良好利用，仍会造成巨大的经济损失。

综上所述，目前亟需开发一种针对电子束焊接气孔的填补方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种针对电子束焊接气孔的填补方法，先确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M，测量所述电子束焊接气孔的直径D，再根据所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，然后通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内。本发明所述填补方法可以针对电子束焊接气孔进行有效地填补，尤其适用于带有气孔缺陷的铝溅射靶材组件，使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

本发明的目的在于提供一种针对电子束焊接气孔的填补方法，所述填补方法包括如下步骤：

(1)确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M，测量所述电子束焊接气孔的直径D；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径＜所述直径D，然后通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内。

本发明所述填补方法根据电子束焊接气孔对应的成分组成M和直径D来选择焊丝，然后通过点焊将焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内，可以针对电子束焊接气孔进行有效地填补，尤其适用于带有气孔缺陷的铝溅射靶材组件，使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

本发明所述焊丝为市场上的现有产品，因此所述焊丝的成分组成和所述成分组成M一般会存在差异，但是经申请人实验研究发现，只要焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，不仅可以有效地填补电子束焊接气孔，还可以满足磁控溅射要求的密封性要求，以及溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，而且，本发明所述焊丝的直径＜所述直径D，可以保证后续点焊过程中，焊丝能够插入电子束焊接气孔内部，从而使得焊丝熔化后可以从内部均匀地将电子束焊接气孔进行有效填补。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述电子束焊接用于溅射靶材和背板的焊接成形。

作为本发明优选的技术方案，所述溅射靶材为高纯度铝靶材或铝合金靶材。

优选地，所述高纯度铝靶材的纯度≥99.999％。

优选地，所述背板为铝合金背板。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M指的是，若所述电子束焊接气孔位于所述溅射靶材或所述背板上，则将所述溅射靶材或所述背板的成分组成作为所述成分组成M。

值得说明的是，溅射靶材和背板的成分一般差别较大，当通过电子束焊接将两者焊接成形后，产生的电子束焊接气孔往往不会出现在焊缝上，而是会发生偏移并位于所述溅射靶材或所述背板上，因此将所述溅射靶材或所述背板的成分组成作为所述成分组成M；此外，通过查询制备过程中所述溅射靶材或所述背板的成分组成信息，即可得知所述成分组成M。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述电子束焊接气孔的直径D采用手持显微镜进行测量。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述电子束焊接气孔的直径D为0.2-1mm，例如0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述焊丝的直径为所述直径D的60-80％，例如60％、65％、70％、75％或80％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明所述填补方法控制焊丝的直径为电子束焊接气孔的直径D的60-80％，不仅可以保证焊丝能够插入电子束焊接气孔内部，还可以避免焊丝过细，填补量较小，导致通过点焊进行填补的时间延长。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述点焊采用激光点焊机进行。

优选地，所述激光电焊机的充电电压为80-90V，例如80V、82V、84V、85V、87V、89V或90V等，脉冲宽度为9-9.2MS，例如9MS、9.05MS、9.1MS、9.15MS或9.2MS等，连发频率为13.5-14Hz，例如13.5Hz、13.6Hz、13.7Hz、13.8Hz、13.9Hz或14Hz等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述填补方法包括如下步骤：

(1)采用电子束焊接用于高纯度铝靶材或铝合金靶材和铝合金背板的焊接成形，确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M，采用手持显微镜测量所述电子束焊接气孔的直径D；

其中，所述电子束焊接气孔的直径D为0.2-1mm；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径为所述直径D的60-80％，然后采用激光点焊机通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内；其中，所述激光电焊机的充电电压为80-90V，脉冲宽度为9-9.2MS，连发频率为13.5-14Hz。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述填补方法根据电子束焊接气孔对应的成分组成M和直径D来选择焊丝，然后通过点焊将焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内，可以针对电子束焊接气孔进行有效地填补，尤其适用于带有气孔缺陷的铝溅射靶材组件，使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供了一种针对电子束焊接气孔的填补方法，所述填补方法包括如下步骤：

(1)采用电子束焊接用于纯度为99.999％的高纯度铝靶材和铝合金背板(Al-4％Si)的焊接成形，产生的电子束焊接气孔位于所述高纯度铝靶材上，则确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M为纯度为99.999％的高纯度铝，采用手持显微镜测量所述电子束焊接气孔的直径D为0.7mm；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的型号为ER1070型焊丝，则所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径为0.5mm，即所述焊丝的直径为所述直径D的71％，然后采用激光点焊机通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内；控制所述激光电焊机的充电电压为85V，脉冲宽度为9MS，连发频率为13.5Hz。

采用本实施例所述填补方法使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

实施例2

本实施例提供了一种针对电子束焊接气孔的填补方法，所述填补方法包括如下步骤：

(1)采用电子束焊接用于纯度为99.999％的高纯度铝靶材和铝合金背板(Al-4％Si)的焊接成形，产生的电子束焊接气孔位于所述高纯度铝靶材上，则确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M为纯度为99.999％的高纯度铝，采用手持显微镜测量所述电子束焊接气孔的直径D为1mm；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的型号为ER1100型焊丝，则所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径为0.8mm，即所述焊丝的直径为所述直径D的80％，然后采用激光点焊机通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内；控制所述激光电焊机的充电电压为80V，脉冲宽度为9.1MS，连发频率为13.5Hz。

采用本实施例所述填补方法使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

实施例3

本实施例提供了一种针对电子束焊接气孔的填补方法，所述填补方法包括如下步骤：

(1)采用电子束焊接用于纯度为99.999％的高纯度铝靶材和铝合金背板(Al-4％Si)的焊接成形，产生的电子束焊接气孔位于所述高纯度铝靶材上，则确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M为纯度为99.999％的高纯度铝，采用手持显微镜测量所述电子束焊接气孔的直径D为0.5mm；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的型号为ER1070型焊丝，则所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径为0.3mm，即所述焊丝的直径为所述直径D的60％，然后采用激光点焊机通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内；控制所述激光电焊机的充电电压为90V，脉冲宽度为9.2MS，连发频率为14Hz。

采用本实施例所述填补方法使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

实施例4

本实施例提供了一种针对电子束焊接气孔的填补方法，除了步骤(2)所述焊丝的直径由“0.5mm”替换为“0.3mm”，即，所述焊丝的直径相比于所述直径D的比值由“71％”替换为“43％”，其他条件和实施例1完全相同。

采用本实施例所述填补方法虽然可以满足填补要求，进而得到满足密封性要求且表面光亮无缺陷的铝溅射靶材组件，但是焊丝较细，单次填补量较少，耗时耗力。

实施例5

本实施例提供了一种针对电子束焊接气孔的填补方法，除了步骤(2)所述焊丝的直径由“0.5mm”替换为“0.6mm”，即，所述焊丝的直径相比于所述直径D的比值由“71％”替换为“86％”，其他条件和实施例1完全相同。

采用本实施例所述填补方法虽然可以满足填补要求，进而得到满足密封性要求且表面光亮无缺陷的铝溅射靶材组件，但是焊丝较粗，极易发生熔化后的焊丝附着在气孔外侧的周边，影响铝溅射靶材组件的平整度。

综上所述，本发明所述填补方法根据电子束焊接气孔对应的成分组成M和直径D来选择焊丝，然后通过点焊将焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内，可以针对电子束焊接气孔进行有效地填补，尤其适用于带有气孔缺陷的铝溅射靶材组件，使得填补后的铝溅射靶材组件不仅满足了磁控溅射要求的密封性要求，满足了溅射靶材表面光亮无缺陷的要求，避免了色差问题，还大大减小了经济损失。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种针对电子束焊接气孔的填补方法，其特征在于，所述填补方法包括如下步骤：

(1)确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M，测量所述电子束焊接气孔的直径D；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径＜所述直径D，然后通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内。

2.根据权利要求1所述的填补方法，其特征在于，步骤(1)所述电子束焊接用于溅射靶材和背板的焊接成形。

3.根据权利要求2所述的填补方法，其特征在于，所述溅射靶材为高纯度铝靶材或铝合金靶材；

优选地，所述高纯度铝靶材的纯度≥99.999％；

优选地，所述背板为铝合金背板。

4.根据权利要求2或3所述的填补方法，其特征在于，步骤(1)所述确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M指的是，若所述电子束焊接气孔位于所述溅射靶材或所述背板上，则将所述溅射靶材或所述背板的成分组成作为所述成分组成M。

5.根据权利要求1-4任一项所述的填补方法，其特征在于，步骤(1)所述电子束焊接气孔的直径D采用手持显微镜进行测量。

6.根据权利要求1-5任一项所述的填补方法，其特征在于，步骤(1)所述电子束焊接气孔的直径D为0.2-1mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的填补方法，其特征在于，所述焊丝的直径为所述直径D的60-80％。

8.根据权利要求1-7所述的填补方法，其特征在于，步骤(2)所述点焊采用激光点焊机进行。

9.根据权利要求8所述的填补方法，其特征在于，所述激光电焊机的充电电压为80-90V，脉冲宽度为9-9.2MS，连发频率为13.5-14Hz。

10.根据权利要求1-9任一项所述的填补方法，其特征在于，所述填补方法包括如下步骤：

(1)采用电子束焊接用于高纯度铝靶材或铝合金靶材和铝合金背板的焊接成形，确定电子束焊接气孔所在位置处的成分组成M，采用手持显微镜测量所述电子束焊接气孔的直径D；

其中，所述电子束焊接气孔的直径D为0.2-1mm；

(2)根据步骤(1)所述成分组成M和所述直径D选择焊丝，所述焊丝的成分组成与所述成分组成M的相似度≥90％，所述焊丝的直径为所述直径D的60-80％，然后采用激光点焊机通过点焊将所述焊丝熔化并填补在所述电子束焊接气孔内；其中，所述激光电焊机的充电电压为80-90V，脉冲宽度为9-9.2MS，连发频率为13.5-14Hz。