CN113967781A - 一种包套结构和焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包套结构和焊接方法，所述包套结构包括背板和盖板；所述背板由内向外依次设置第一凹槽和第二凹槽；所述第一凹槽设置于所述第二凹槽的底部；所述第一凹槽的直径＜所述第二凹槽的直径；所述第一凹槽的中心线与所述第二凹槽的中心线重合；所述盖板设置于所述第二凹槽内；所述盖板设置脱气管；所述焊接方法包括将靶坯和盖板放入背板中，依次进行包套焊接、脱气、热等静压和机加工，得到靶材组件。本发明可以节约包套材料和生产成本，提高背板和靶坯的焊接结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及靶材组件焊接领域，具体涉及一种包套结构和焊接方法。
背景技术
靶材组件由具有溅射性能的靶坯和背板组成，金属溅射靶材组件在溅射机台中被带正电荷的离子冲击，使靶坯表面的金属以分子或原子的形式脱离并在阳极表面沉积。其中，靶坯一般为高纯的铝、铜、钛、镍或钽等贵金属材料，背板一般为与其适配的合金材料，一般包括铝合金和铜合金等。在磁场和电场的作用下进行溅射时，背板可以为金属靶坯的溅射起到支持和冷却的作用，还可以降低原料的成本。
在实际应用中，靶坯和背板需要经过加工和焊接成型，才能进行后续的溅射应用。因此，靶坯和背板通常需要较高的焊接结合强度和焊接结合率，若靶坯和背板之间焊接效果较差，所得靶材组件在溅射过程中容易发生变形、开裂或从背板上脱落，严重影响了溅射靶材的使用性能，甚至可能从溅射机台上脱落引起设备损坏。目前靶坯和背板的焊接方法包括扩散焊接、钎焊或电子束焊，其中，热等静压扩散焊接是目前常用的焊接方法。此方法需要将靶坯和背板放入真空包套后送入焊接设备，采用热等静压工艺进行扩散焊接，焊接完成后进行冷却并拆掉包套，取出靶材组件。其中，热等静压焊接用包套是热等静压焊接的重要工具，其稳固性好，不会在高温下对靶材组件造成污染，但是热等静压焊接后的靶材组件不易与包套分离，造成靶材组件的损坏或变形。另外，热等静压焊接用包套多次使用后容易损坏，耐用性差，需要对其单独加工，增加了生产工序和生产成本。
CN103801820A公开了一种钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊接方法，该方法将钽靶材和铝背板装入真空包套之后，对真空包套进行抽真空，所述真空包套装入热等静压炉中进行焊接，之后拆除所述真空包套取出靶材组件。该方法进行热等静压焊接后得到的靶材组件不易与包套分离，容易造成靶材组件的损坏和变形。
CN112743217A公开了一种钛铝合金靶材组件的焊接结构及焊接方法，该方法通过将铝钛合金靶材组件放入包套中，依次进行包套焊接、脱气、热等静压、去除包套、去除隔阻层和去除中间隔阻层，得到钛铝合金靶材组件，但是该方法所用包套需要单独制作，其材质为铝或不锈钢，增加了生产工序和生产成本。
因此，如何保证靶材组件经过热等静压扩散焊接后的结合强度和良品率，减少加工工序，节约加工成本是当前需要解决的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种包套结构和焊接方法，与现有技术相比，本发明提供的包套结构加工简单，节约了包套生产原料和成本，采用本发明所述包套结构进行焊接的方法可以缩短抽真空的时间，避免包套内气体的残留，提高焊接结合强度。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种包套结构，所述包套结构包括背板和盖板；
所述背板由内向外依次设置第一凹槽和第二凹槽；
所述第一凹槽设置于所述第二凹槽的底部；
所述第一凹槽的直径＜所述第二凹槽的直径；
所述第一凹槽的中心线与所述第二凹槽的中心线重合；
所述盖板设置于所述第二凹槽内；
所述盖板设置脱气管。
本发明提供的包套结构，背板为包套结构的一部分，盖板设置于背板的第二凹槽内，而背板的第一凹槽可以设置靶坯，采用本发明提供的包套结构可以取代传统的热等静压焊接用包套，本发明所述包套结构中的背板即为热等静压焊接所用的背板，采用本发明提供的包套结构可以节约包套生产原料和成本，简化生产工艺，避免包套内气体残留，增加靶坯和背板的焊接结合强度。
本发明中，所述背板为本领域内靶材组件常用的背板，本发明对所述背板的材质没有特殊限定，可以采用本领域技术人员熟知的任何可以作为靶材组件中背板的材质，例如可以是铝合金或铜合金。
本发明对所述盖板的材质没有特殊限定，可以采用本领域技术人员熟知的任何可以用于盖板的材质，例如可以是铝、铝合金、铜、铜合金或不锈钢等。
本发明中，所述背板、盖板、第一凹槽和第二凹槽的形状一般为圆形。
本发明中，所述脱气管一般设置于盖板的圆心。
优选地，所述第一凹槽的深度为10-30mm，例如可以是10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm或30mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一凹槽的直径为50-600mm，例如可以是50mm、80mm、100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm、250mm、280mm、300mm、320mm、350mm、380mm、400mm、420mm、450mm、480mm、500mm、520mm、550mm、580mm或600mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一凹槽的直径与所述背板的直径的差值为2-3mm，例如可以是2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二凹槽的深度为5-8mm，例如可以是5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm或8mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二凹槽的直径为100-800mm，例如可以是100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm、250mm、280mm、300mm、320mm、350mm、380mm、400mm、420mm、450mm、480mm、500mm、520mm、550mm、580mm、600mm、620mm、650mm、680mm、700mm、720mm、750mm、780mm或800mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述脱气管的长度≥20mm，例如可以是20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm、42mm、44mm、46mm、48mm或50mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述脱气管的直径为10-50mm，例如可以是10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm、42mm、44mm、46mm、48mm或50mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供一种焊接方法，所述焊接方法包括采用本发明第一方面所述的包套结构对靶坯和背板进行焊接。
本发明中，采用包括背板的包套结构对靶坯和背板进行焊接，可以简化靶材组件的焊接工艺，缩短对包套的脱气时间，降低包套的鼓包率，节约包套材料和制造成本。采用本发明所述焊接方法所得靶材组件的焊接结合率和良品率相比于使用传统包套结构的靶材组件更高。
优选地，所述焊接方法包括将靶坯和盖板放入背板中，依次进行包套焊接、脱气、热等静压和机加工，得到靶材组件。
本发明中，所述包套焊接为对背板和盖板之间的缝隙进行焊接，其目的是将背板和盖板之间的缝隙密封，相比于传统的包套焊接，本发明可以减少焊缝的长度。
优选地，所述包套焊接包括氩弧焊接。
优选地，所述氩弧焊接的电流为100-200A，例如可以是100A、110A、120A、130A、140A、150A、160A、170A、180A、190A或200A，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述氩弧焊接中氩气的流量为5-15L/min，例如可以是5L/min、6L/min、7L/min、8L/min、9L/min、10L/min、11L/min、12L/min、13L/min、14L/min或15L/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述脱气的终点为包套内的绝对真空度≤0.01Pa，例如可以是0.01Pa、0.005Pa、0.002Pa、0.001Pa、0.0005Pa或0.0001Pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述脱气的时间≤3h，例如可以是3h、2.8h、2.6h、2.4h、2.2h、2h、1.8h、1.6h、1.4h、1.2h或1h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，脱气完成后对包套进行密封，使包套内部形成真空密闭环境。
优选地，所述热等静压的温度≤1500℃，例如可以是1500℃、1600℃、1400℃、1200℃、1000℃、800℃、600℃、400℃或200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压的压力≤300MPa，例如可以是300MPa、250MPa、200MPa、150MPa或100MPa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压的时间≤10h，例如可以是10h、9h、8h、7h、6h、5h、4h、3h、2h或1h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，热等静压之后得到热压组件，所述热压组件经过机加工得到靶材组件。
作为本发明第二方面的优选技术方案，所述焊接方法包括将靶坯和盖板放入背板中进行包套焊接，所述包套焊接包括在电流为100-200A，氩气的流量为5-15L/min的条件下进行氩弧焊接；之后脱气至包套内的绝对真空度≤0.01Pa，所述脱气的时间≤3h，得到密封包套；
将所述密封包套在≤1500℃的温度下，≤300MPa的压力下进行热等静压，所述热等静压的时间≤10h，得到热压组件；
将所述热压组件进行机加工得到靶材组件。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的包套结构将背板作为包套的一部分，可以节约包套材料和生产成本。
(2)本发明提供的采用所述包套结构的焊接方法操作简单，缩短抽真空的时间至3h以内，减少鼓包率，提高背板和靶坯的焊接结合强度。
附图说明
图1是本发明具体实施例方式中包套结构的示意图；
图2是本发明实施例1中密封包套的示意图；
图3是本发明对比例1中包套结构的示意图。
其中，1-盖板；2-背板；3-第一凹槽；4-第二凹槽；5-脱气管；6-靶坯；7-抽气管；8-上盖板；9-下盖板；10-套体。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。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。
具体提供了一种包套结构，如图1所示，所述包套结构包括背板2和盖板1；所述背板2由内向外依次设置第一凹槽3和第二凹槽4；所述第一凹槽3设置于所述第二凹槽4的底部；所述第一凹槽3的直径＜所述第二凹槽4的直径；所述第一凹槽3的中心线与所述第二凹槽4的中心线重合；所述盖板1设置于所述第二凹槽4内；所述盖板1设置脱气管5。
实施例1
本实施例提供一种包套结构，所述包套结构包括背板2和盖板1；所述背板2由内向外依次设置第一凹槽3和第二凹槽4；所述第一凹槽3设置于所述第二凹槽4的底部；所述第一凹槽3的直径＜所述第二凹槽4的直径；所述第一凹槽3的中心线与所述第二凹槽4的中心线重合；所述盖板1设置于所述第二凹槽4内；所述盖板1设置脱气管5；所述第一凹槽3的深度为20mm，直径为325mm，第一凹槽3的直径与所述背板2的直径的差值为2.5mm；所述第二凹槽4的深度为6.5mm，直径为450mm；所述脱气管5的长度为60mm，直径为30mm；所述盖板1的材质为A1060(工业纯铝)，所述背板2的材质为铝合金。
本实施例还提供一种采用上述包套结构对靶坯6和背板2进行焊接的焊接方法，所述焊接方法包括将靶坯6(铝靶坯，纯度为99.999％)和盖板1放入背板2中进行包套焊接，所述包套焊接包括在电流为130A，氩气的流量为10L/min的条件下进行氩弧焊接；之后脱气至包套内的绝对真空度为0.01Pa，所述脱气的时间为3h，得到密封包套(如图2所示)；
将所述密封包套在400℃，150MPa下进行热等静压，所述热等静压的时间为5h，得到热压组件；
将所述热压组件进行机加工得到靶材组件。
实施例2
本实施例提供一种包套结构，所述包套结构包括背板2和盖板1；所述背板2由内向外依次设置第一凹槽3和第二凹槽4；所述第一凹槽3设置于所述第二凹槽4的底部；所述第一凹槽3的直径＜所述第二凹槽4的直径；所述第一凹槽3的中心线与所述第二凹槽4的中心线重合；所述盖板1设置于所述第二凹槽4内；所述盖板1设置脱气管5；所述第一凹槽3的深度为10mm，直径为50mm，第一凹槽3的直径与所述背板2的直径的差值为2mm；所述第二凹槽4的深度为5mm，直径为100mm；所述脱气管5的长度为30mm，直径为10mm；所述盖板1的材质为TU1(无氧铜)，所述背板2的材质为铜合金。
本实施例还提供一种采用上述包套结构对靶坯6和背板2进行焊接的焊接方法，所述焊接方法包括将靶坯6(铜靶坯，纯度为99.9999％)和盖板1放入背板2中进行包套焊接，所述包套焊接包括在电流为100A，氩气的流量为15L/min的条件下进行氩弧焊接；之后脱气至包套内的绝对真空度为0.001Pa，所述脱气的时间为2.5h，得到密封包套；
将所述密封包套在350℃，190MPa下进行热等静压，所述热等静压的时间为6h，得到热压组件；
将所述热压组件进行机加工得到靶材组件。
实施例3
本实施例提供一种包套结构，所述包套结构包括背板2和盖板1；所述背板2由内向外依次设置第一凹槽3和第二凹槽4；所述第一凹槽3设置于所述第二凹槽4的底部；所述第一凹槽3的直径＜所述第二凹槽4的直径；所述第一凹槽3的中心线与所述第二凹槽4的中心线重合；所述盖板1设置于所述第二凹槽4内；所述盖板1设置脱气管5；所述第一凹槽3的深度为30mm，直径为600mm，第一凹槽3的直径与所述背板2的直径的差值为3mm；所述第二凹槽4的深度为8mm，直径为800mm；所述脱气管5的长度为100mm，直径为50mm；所述盖板1的材质为不锈钢，所述背板2的材质为不锈钢。
本实施例还提供一种采用上述包套结构对靶坯6和背板2进行焊接的焊接方法，所述焊接方法包括将靶坯6(铬靶，纯度为99.99％)和盖板1放入背板2中进行包套焊接，所述包套焊接包括在电流为160A，氩气的流量为5L/min的条件下进行氩弧焊接；之后脱气至包套内的绝对真空度为0.0009Pa，所述脱气的时间为2h，得到密封包套；
将所述密封包套在1300℃，300MPa下进行热等静压，所述热等静压的时间为4h，得到热压组件；
将所述热压组件进行机加工得到靶材组件。
对比例1
本对比例提供一种包套结构，与实施例1相比仅在于，所述包套结构如图3所示，包括上盖板8、下盖板9和套体10，所述上盖板设置抽气管7，所述上盖板8、下盖板9和套体10的材质为A1060(工业纯铝)。
本对比例还提供一种采用上述包套结构的焊接方法，与实施例1相比仅在于，将靶坯6(铝靶坯，纯度为99.999％)和背板2(铝合金)组合后放入包套，依次进行包套焊接、脱气、热等静压和机加工，得到靶材组件。
对实施例1-3和对比例1所得靶材组件的焊接结合强度进行测定，测定方法为：采用拉伸法测试结合强度，取直径为20mm的柱形靶材组件式样，两端加力拉伸直至靶坯和背板分离，记录分离时所加力的大小，焊接结合强度＝力/式样的截面积，所述式样的截面积为靶坯与背板结合面的面积，测定结果如表1所示。
对实施例1-3中和对比例1中包套材料的节约量进行计算，计算方法为：(原每件包套所用原材料的质量-现每件包套所用原材料的质量)/原每件包套所用原材料的质量×100％，所述原每件包套所用原材料的质量为对比例1提供的包套结构所用原材料的质量，结果如表1所示。
表1
从表1可以看出：
(1)实施例1-3中靶材组件的焊接结合强度在80MPa以上，包套材料的节约量在53％以上，说明采用本发明提供的包套结构可以节约包套材料和生产成本，本发明提供的焊接方法可以提高背板和靶坯的焊接结合强度。
(2)综合实施例1和对比例1可以看出，对比例1与实施例1相比仅在于所述包套结构如图3所示，对比例1中将靶坯和背板组合后放入所述包套结构中进行焊接，实施例1中靶材组件的焊接结合强度为84MPa，而对比例1中的焊接结合强度仅为65MPa，并且实施例1可以节约54％的包套材料，由此表明，本发明通过采用所述包套结构进行焊接，可以节约包套原料，提升靶材组件的焊接结合强度。
综上所述，本发明提供的包套结构可以节约包套材料和生产成本，本发明提供的采用所述包套结构的焊接方法可以提高背板和靶坯的焊接结合强度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种包套结构，其特征在于，所述包套结构包括背板和盖板；
所述背板由内向外依次设置第一凹槽和第二凹槽；
所述第一凹槽设置于所述第二凹槽的底部；
所述第一凹槽的直径＜所述第二凹槽的直径；
所述第一凹槽的中心线与所述第二凹槽的中心线重合；
所述盖板设置于所述第二凹槽内；
所述盖板设置脱气管。
2.根据权利要求1所述的包套结构，其特征在于，所述第一凹槽的深度为10-30mm；
优选地，所述第一凹槽的直径为50-600mm；
优选地，所述第一凹槽的直径与所述背板的直径的差值为2-3mm。
3.根据权利要求1或2所述的包套结构，其特征在于，所述第二凹槽的深度为5-8mm；
优选地，所述第二凹槽的直径为100-800mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的包套结构，其特征在于，所述脱气管的长度≥20mm；
优选地，所述脱气管的直径为10-50mm。
5.一种焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括采用如权利要求1-4任一项所述的包套结构对靶坯和背板进行焊接。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括将靶坯和盖板放入背板中，依次进行包套焊接、脱气、热等静压和机加工，得到靶材组件。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述包套焊接包括氩弧焊接；
优选地，所述氩弧焊接的电流为100-200A；
优选地，所述氩弧焊接中氩气的流量为5-15L/min。
8.根据权利要求6或7所述的焊接方法，其特征在于，所述脱气的终点为包套内的绝对真空度≤0.01Pa；
优选地，所述脱气的时间≤3h。
9.根据权利要求6-8任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述热等静压的温度≤1500℃；
优选地，所述热等静压的压力≤300MPa；
优选地，所述热等静压的时间≤10h。
10.根据权利要求6-9任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括将靶坯和盖板放入背板中进行包套焊接，所述包套焊接包括在电流为100-200A，氩气的流量为5-15L/min的条件下进行氩弧焊接；之后脱气至包套内的绝对真空度≤0.01Pa，所述脱气的时间≤3h，得到密封包套；
将所述密封包套在≤1500℃的温度下，≤300MPa的压力下进行热等静压，所述热等静压的时间≤10h，得到热压组件；
将所述热压组件进行机加工得到靶材组件。
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