CN115213512B - 一种脆性靶材的高性能焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于材料焊接技术领域的一种脆性靶材的高性能焊接方法；所述方法包括在背板焊接面加工焊接槽，内径与靶材外径配合，清洗去油，对靶材进行背金处理，对靶材和背板焊接面进行超声浸润In焊料；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶材及背板的升温、降温制度，同时加压配重，冷却后得到高焊接质量靶材；本发明提供的方法，靶材焊合率高，焊合率≥98％，脆性靶材焊接不开裂，焊后靶材变形小，平面度≤0.5mm。
Description
技术领域
本发明属于材料焊接技术领域，特别涉及一种脆性靶材的高性能焊接方法。
背景技术
靶材一般分为单体和复合型，复合型靶材一般包括靶面和背板组件，通过绑定技术将靶面及背板组件进行连接。靶材常用的绑定方式为钎焊、电子束焊接、扩散焊接及机械连接，钎焊焊接是使用最广泛的绑定技术。常规钎焊类靶材要求焊合率高于95％，8-12英寸靶材焊合率要求在97％甚至99％以上，以保证靶材的焊接可靠性。对于脆性材料靶材，因其材料塑韧性差，脆性大，焊接过程中加热或降温速度过快以及靶面与背板的热膨胀系数差异过大，常引起靶材开裂，另外一些陶瓷类靶材浸润性较差，焊接后焊接质量较差。因靶面与背板的热膨胀系数的差异，靶材焊接后会发生变形，一般变形量在1-5mm，对于脆性靶材，大大提高了焊接后整平的难度，开裂风险大增。
发明内容
本发明的目的是提供一种脆性靶材的高性能焊接方法，其特征在于，具体焊接步骤如下：
(1)靶材加工：对焊接浸润性差的靶材焊接面进行背金处理；
(2)背板加工：在背板焊接面加工焊接槽，清洗去油，酒精脱水；
(3)焊接前处理：将靶材和背板放在焊接台上进行加热，对靶材和背板焊接面进行超声浸润一层In焊料；控制靶材加热制度，
(4)焊接加工：对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶面及背板降温制度，同时加压配重，冷却后得到高焊接质量靶材。
所述步骤(1)中靶材焊接面背金方式为电镀或溅射一层焊接浸润良好的Ni、NiV或Ag为背金材料。
所述步骤(2)中的背板焊接面加工焊接槽，槽深0.7-3.0mm，在焊接槽底部增加支撑筋，厚度0.1-1.0mm，保证焊料厚度的均匀性；所述支撑筋形状是在焊接槽中心为小圆柱，小圆柱外，间隔布置几个圆环支撑筋。
所述步骤(3)中靶材加热制度为从常温随炉缓慢加热，以1-3℃/min升温至100-120℃，保温10-20min，以1-3℃/min升温至200-240℃，保温40-60min，升温过程中，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；背板材质为铜、铜合金或铝合金；控制背板的升温制度背板的最终升温温度为：假设靶面热膨胀系数为a，背板热膨胀系数为b，常温温度为c，靶面升温温度为m，背板升温温度为n。则根据靶面及背板冷却至室温，收缩变形尺寸一致设计计算，(m-c)*a＝(n-c)*b，得出背板升温温度为n＝(m-c)*a/b+c。
所述步骤(4)中靶面和背板降温制度：1)靶面降温制度，靶面溅射面放置加热设备，以1-3℃/min降温至80-120℃，保温20-30min，以1-3℃/min降温至室温。2)背板降温制度，背板底面放置在焊接台上，根据靶面和背板的热膨胀系数进行计算背板的降温制度，计算原则为靶面和背板冷却时长度方向收缩速度相同，假设靶面热膨胀系数为a，靶面降温速度为νa℃/min，背板热膨胀系数为b，背板降温速度为νb℃/min，
则，a*νa＝b*νb
即，νb＝a/b*νa
即背板降温速度为以a/b*(1-3℃/min)降温至80-140℃，保温20-30min，以a/b*(1-3℃/min)降温至室温。
如上所述制备方法得到的靶材，靶材焊合率高，焊合率≥98％，脆性靶材焊接不开裂，焊后靶材变形小，平面度≤0.3mm，达到脆性靶材的高性能焊接。
本发明的有益效果为：
(1)本发明焊接方法制备的靶材，焊合率高，通过对焊接槽设计及支撑筋设计，形成焊接铟池，实现靶材的浸泡式焊接，避免了焊接过程中气体的引入，同时采用支撑筋设计，保证了对靶面的支撑作用，焊缝厚度均匀一致性高，防止脆性靶材配重后开裂，焊合率达到98％以上。
(2)本发明焊接方法，通过控制脆性靶材和背板的升温及降温制度，克服了常规钎焊焊接方法因靶材升温或降温速度快以及靶面与背板的热膨胀系数差异大等引起靶材开裂的问题，制备脆性靶材无开裂。
(3)本发明焊接方法，通过对靶面和背板降温过程进行控制，保证了靶面和背板的收缩变形速度一致，克服了常规钎焊焊接方法焊接变形大问题，降低了靶材的焊接应力，焊接后靶材平面度≤0.5mm，通过后续轻微调平技术，可保证靶材成品的厚度均匀性，对于成品焊接靶材，平面度的提高，增加了靶材的冷却能力，提高靶材的性能。对于磁性材料靶材，靶面厚度均匀性至关重要，以保证靶材透磁率的均匀性。
本发明通过对背板焊接界面设计，焊接面金属化，提高了靶材的焊接性能，焊合率≥98％；通过控制脆性靶面和背板的升温及降温制度，避免了因靶材升温或降温速度快以及靶面与背板的热膨胀系数差异大等引起靶材开裂的问题；通过对靶面和背板降温过程进行控制，降低了靶材的焊接应力，焊接后靶材平面度≤0.5mm，提高靶材成品的厚度均匀性，提高靶材的性能。
附图说明
图1靶材与背板焊接结构；
图2焊接支撑筋形状。
具体实施方式
本发明提供一种脆性靶材的高性能焊接方法，具体焊接步骤如下：
(1)靶材加工：对焊接浸润性差的靶材焊接面进行背金处理，提高焊接性能；
(2)背板加工：在背板焊接面加工焊接槽，清洗去油，酒精脱水；
(3)焊接前处理：将靶材和背板放在焊接台上进行加热，对靶材和背板焊接面进行超声浸润一层In焊料；控制靶材加热制度，
(4)焊接加工：对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶面及背板降温制度，同时加压配重，冷却后得到高焊接质量靶材。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示靶材焊接加工过程，对氧化镁靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度1.5mm，在焊接槽加工支撑筋高度0.3mm(如图2所示)，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热升温制度，以2℃/min升温至110℃，保温20min，以3℃/min升温至200℃，保温50min，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对背板进行加热，升温至200℃，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶面及背板降温制度，靶面降温制度，靶面溅射面放置加热设备，以2℃/min降温至100℃，保温30min，以1.5℃/min降温至室温；背板降温制度，背板底面放置在焊接台上，根据氧化镁和铜背板热膨胀系数计算，以1.5℃/min降温至125℃，保温30min，以1℃/min降温至室温；同时加压配重，冷却后得到靶材焊合率99.1％，氧化镁靶面无开裂、崩边，靶材平面度为0.32mm。
实施例二
对氧化锌靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度2mm，在焊接槽加工支撑筋高度0.5mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热升温制度，以3℃/min升温至100℃，保温20min，以3℃/min升温至200℃，保温40min，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对背板进行加热，升温至200℃，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶面及背板降温制度，靶面降温制度，靶面溅射面放置加热设备，以3℃/min降温至80℃，保温30min，以3℃/min降温至室温；背板降温制度，背板底面放置在焊接台上，根据氧化锌和铜背板热膨胀系数计算，以1.2℃/min降温至130℃，保温30min，以1.2℃/min降温至室温；同时加压配重，冷却后得到靶材焊合率98.8％，氧化锌靶面无开裂、崩边，靶材平面度为0.45mm。
对比列一
对氧化镁靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度1.5mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，加热台温度200℃，靶材加热升温过程中发生开裂崩边。
对比列二
对氧化镁靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度1.5mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热升温制度，以2℃/min升温至110℃，保温20min，以3℃/min升温至200℃，保温50min，靶面无开裂、崩边，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对背板进行加热，升温至200℃，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，加压配重，关闭焊接台电源，冷却后得到靶材开裂，边缘崩边，靶材焊合率97.1％，靶材平面度为1.5mm。
对比例三
对氧化锌靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度2mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，加热台温度200℃，靶材加热升温过程中发生开裂崩边。
对比列四
对氧化锌靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度2mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热升温制度，以3℃/min升温至100℃，保温20min，以3℃/min升温至200℃，保温40min，靶面无开裂、崩边，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对背板进行加热，升温至200℃，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，加压配重，关闭焊接台电源，冷却后得到靶材开裂，边缘崩边，靶材焊合率96.8％，靶材平面度为2.5mm。
实施例中，不同脆性材料靶材焊合率均在98％以上，靶材无开裂及崩边问题，焊接后靶材平面度≤0.5mm；对比例中，焊接面未加工支撑筋，靶材的焊合率下降，靶材焊接过程中开裂崩边，靶材的平面度较大在1.5mm以上。
Claims (3)
1.一种脆性靶材与背板的高性能焊接方法，该方法包括如下步骤：
(1)靶材加工：对焊接浸润性差的靶材焊接面进行背金处理；
(2)焊接前处理：将靶材和背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热制度，
具体处理是在背板焊接面加工焊接槽，内径与靶材外径配合，清洗去油，酒精脱水；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，对靶材和背板焊接面进行超声浸润一层高纯In焊料；控制靶材及背板的升温、降温制度，同时加压配重，冷却后得到高焊接质量靶材；其背板材质为铜、铜合金或铝合金；所述背板焊接面车焊接槽，槽深0.7-3.0mm；在焊接槽底部增加支撑筋，厚度0.1-1.0mm，保证焊料厚度的均匀性；其特征在于，所述靶材材质为脆性材料，包括氧化镁或氧化锌；
所述靶材焊接面背金方式为电镀或溅射镀，背金材料为焊接浸润好的材料包括Ni、Ni合金或Ag；
所述靶材和背板进行配合焊接，在焊接面放置In焊料，待其熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；升温过程中，靶材加热制度为从常温随炉缓慢加热，以1-3℃/min升温至100-120℃，保温10-20min，以1-3℃/min升温至200-240℃，保温40-60min；
所述靶面和背板降温制度：1)靶面降温制度，靶面溅射面放置加热设备，以1-3℃/min降温至80-120℃，保温20-30min，以1-3℃/min降温至室温；2)背板降温制度，背板底面放置在焊接台上，根据靶面和背板的热膨胀系数进行计算背板的降温制度，计算原则为靶面和背板冷却时长度方向收缩速度相同，假设靶面热膨胀系数为a，靶面降温速度为νa℃/min，背板热膨胀系数为b，背板降温速度为νb℃/min，则，a*νa＝b*νb，即，νb＝a/b*νa；
背板降温速度为以a/b*(1-3℃/min)降温至80-140℃，保温20-30min，以a/b*(1-3℃/min)降温至室温。
2.一种脆性靶材与背板的高性能焊接方法，其特征在于，首先对氧化镁靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度1.5mm，在焊接槽加工支撑筋高度0.3mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化镁靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热升温制度，以2℃/min升温至110℃，保温20min，以3℃/min升温至200℃，保温50min，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对背板进行加热，升温至200℃，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶面及背板降温制度，靶面降温制度，靶面溅射面放置加热设备，以2℃/min降温至100℃，保温30min，以1.5℃/min降温至室温；背板降温制度，背板底面放置在焊接台上，根据氧化镁和铜背板热膨胀系数计算，以1.5℃/min降温至125℃，保温30min，以1℃/min降温至室温；同时加压配重，冷却后得到靶材焊合率99.1％，氧化镁靶面无开裂、崩边，靶材平面度为0.32mm。
3.一种脆性靶材与背板的高性能焊接方法，其特征在于，对氧化锌靶材焊接面抛光毛化，对溅射面进行溅射镀Ni处理；在铜背板焊接面加工焊接槽，深度2mm，在焊接槽加工支撑筋高度0.5mm，清洗去油，酒精脱水，吹干；将氧化锌靶材和铜背板放在焊接台上进行加热，控制靶材加热升温制度，以3℃/min升温至100℃，保温20min，以3℃/min升温至200℃，保温40min，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对背板进行加热，升温至200℃，在焊接面放置In焊料，待其完全熔化后，采用超声设备使焊料与靶面完全浸润；对靶材和背板进行配合焊接，将靶材焊接至背板焊接槽中，控制靶面及背板降温制度，靶面降温制度，靶面溅射面放置加热设备，以3℃/min降温至80℃，保温30min，以3℃/min降温至室温；背板降温制度，背板底面放置在焊接台上，根据氧化锌和铜背板热膨胀系数计算，以1.2℃/min降温至130℃，保温30min，以1.2℃/min降温至室温；同时加压配重，冷却后得到靶材焊合率98.8％，氧化锌靶面无开裂、崩边，靶材平面度为0.45mm。
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