CN1962153A - 一种真空电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空电子束焊接方法，其特征在于依次包括如下步骤：(1)焊前准备：清洗靶材和背板，并将其移至真空室内进行隔离抽真空；(2)预热焊缝；(3)施行第一次真空电子束焊接；(4)把完成步骤(3)的靶材组件进行真空保温；(5)施行第二次真空电子束焊接；(6)淬火：对完成步骤(5)的靶材组件取出真空室，进行急冷淬火。与现有技术相比，本发明的优点在于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H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H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。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别是一种真空电子束焊接方法。
背景技术
在半导体工业领域，对于溅射靶材产品的制造工艺，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环经过焊接成形，然后再经过粗加工、精加工等工艺，最后加工成尺寸合格的溅射靶材产品。
对于溅射靶材来说，焊接后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能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，但后者投资过于巨大，因而人们往往选择电子束焊接。所谓的电子束焊接是指利用高能电子束轰击焊缝材料表面，产生热量，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。
对于高纯铝之间以及高纯铝与铝合金之间的焊接，还存在另外一个问题：焊缝中气孔率极难控制，由于其在熔炼阶段往往采取了各种手段使得吸收的氢不能形成气孔，而以H原子的形式存在于材料中，当焊接铝或者铝合金时，焊缝的高温给H原子足够的能量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H原子也会向焊缝中扩散，此外外界的水、有机物等的分解出的氢也会被焊缝吸收，因此利用电子束焊接高纯铝或者铝合金时焊缝内的气孔极难控制。
同时，溅射靶材一般都是工作在非常恶劣的环境之下，首先其工作温度要高达300～400℃，其次靶材组件的一侧充以冷却水强冷，另一侧则处在10-9Pa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，明显高于周边地区，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，靶面脱落损伤溅射机台；此外，如果焊缝中气孔比较多以致形成通孔，在水会在压力差作用下渗漏到另一侧，损害溅射设备。靶材都是在高精密的溅射设备上使用的，价值昂贵的半导体生产设备是不允许出现这样的情况的，因此，电子束焊接时对靶材中气孔率的控制十分重要。
目前国内常用的铝合金电子束焊接降低气孔率的方法主要是重复电子束焊和扫描电子束焊。其中，重复电子束焊指在同一焊缝上反复焊接，它的优点是相当于增大了焊缝熔池保存时间，使得气体容易逸出从而降低气孔率，缺点是重复焊接会导致合金元素的烧损，同时重复焊接引起的热影响区温度大幅度升高导致组件的变形，而且重复几次焊接以后，气孔率降低将变得及其缓慢。扫描焊接是指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，移动频率一般在几十赫兹左右，其优点是通过电子束的左右移动对熔池起到机械搅拌作用，使得熔池中气体容易逸出，缺点是扫描焊接对降低气孔率的作用有限，不能从根本上解决气孔率的降低。
因此需要人们研究出一种新的、有效的降低焊缝气孔率的真空电子束焊接方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种能有效降低焊缝气孔率的真空电子束焊接方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该真空电子束焊接方法，其特征在于依次包括如下步骤：
(1)焊前准备：清洗靶材和背板，并把装配固定好的靶材和背板组成的靶材组件移至电子束真空室内进行隔离抽真空；
(2)预热焊缝；
(3)施行第一次真空电子束焊接；
(4)把完成步骤(3)的靶材组件进行真空保温；
(5)施行第二次真空电子束焊接；
(6)淬火：对完成步骤(5)的靶材组件取出真空室，进行急冷淬火。
根据不同气孔率控制程度的要求，可以多次重复所述步骤(3)～(5)，进行多次电子束焊接。
为升高焊缝温度，促使其周围热影响区的H富集到焊缝，并在施行完第一次真空电子束焊接后进行的真空保温步骤中形成气孔，在步骤(2)中，采用电子束对焊缝进行预热。
所述的步骤(3)和步骤(5)中，焊接所需的电压、电流和焊接速度，可根据不同焊缝材质和熔深大小自由选择各个焊接参数。
为促使完成第一次真空电子束焊接的靶材组件焊缝中气孔的形成，在步骤(6)中，靶材组件可保温5分钟至2小时，这个过程中，由于焊缝温度非常高，内部吸附的H原子有足够的能量扩散并结合成H2，此外，焊缝中金属H含量远远低于其固溶度，与此同时周围温度低的区域H含量远远高于其固溶度，二者共同作用，形成一个泵吸效应，热影响区的大部分H原子也将扩散到焊缝中，形成气孔，由此可以确保有效降低或者去除焊缝及热影响区的H含量，经过一次或者数次重复后，热影响区和焊缝中的H含量都会降低到一个非常低的水平。
与现有技术相比，本发明的优点在于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H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H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。
附图说明
图1为本发明实施例一的焊缝三维超声波检测仪的检测图；
图2为本发明实施例二的焊缝三维超声波检测仪的检测图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
材料为Al-1％Si-0.5％Cu的铝靶，设计焊缝熔深为20mm，气孔率低于1％，焊接实施过程如下：
(1)焊前准备：清洗靶材和背板，除去靶和背板焊接面的氧化物和杂质，再把装配固定好的靶材和背板组成的靶材组件移至电子束真空室内进行隔离抽真空，电子枪真空度为6.67×10-3Pa，焊接室真空度为8×10-2Pa；
(2)预热焊缝：采用137.8Kv的电压，23.5mA的电流，0.5m/min的焊接速度预热一圈；
(3)施行第一次真空电子束焊接：采用137.8Kv的电压，31.6mA的电流，0.5m/min的焊接速度焊接一圈；
(4)把完成步骤(3)的靶材组件进行真空保温：把施行完第一次真空电子束焊接的靶材组件在真空下保温30分钟；
(5)施行第二次真空电子束焊接：采用137.8Kv的电压，31.6mA的电流，0.5m/min的焊接速度再焊接一圈；
(6)淬火：对完成步骤(5)的靶材组件取出真空室，放入水中进行急冷淬火。
利用三维超声波检测仪对按上述步骤完成真空电子束焊接的靶材组件的焊缝进行检测，发现气孔面积仅占焊缝总面积的0.24％，如图1所示为该焊缝三维超声波检测仪的检测图，图中白色圆环为焊缝，黑点为气孔。
如果进行完上述步骤后的焊缝气孔率未能达到设计的气孔率要求，可多次重复步骤(3)～(5)，实施多次电子束焊接，在第一次焊接后进行真空保温促使气孔形成，再进行第二次焊接，除去该形成的气孔，如此反复，一直达到所设计的气孔率要求。
本实施例中所使用的各个焊接参数均只对本实施例有效，并不影响本发明其他实施方式。
实施例二
材料为Al-1％Si的铝靶，设计焊缝熔深为14mm，气孔率低于1％，焊接实施过程如下：
(1)焊前准备：清洗靶材和背板，除去靶和背板焊接面的氧化物和杂质，再把装配固定好的靶材和背板组成的靶材组件移至电子束真空室内进行隔离抽真空，电子枪真空度为6.67×10-3Pa，焊接室真空度为8×10-2Pa；
(2)预热焊缝：采用137.8Kv的电压，14.4mA的电流，0.5m/min的焊接速度预热一圈；
(3)施行第一次真空电子束焊接：采用137.8Kv的电压，22.3mA的电流，0.5m/min的焊接速度焊接一圈；
(4)把完成步骤(3)的靶材组件进行真空保温：把施行完第一次真空电子束焊接的靶材组件在真空下保温15分钟；
(5)施行第二次真空电子束焊接：采用137.8Kv的电压，22.3mA的电流，0.5m/min的焊接速度再焊接一圈；
(6)淬火：对完成步骤(5)的靶材组件取出真空室，放入水中进行急冷淬火。
利用三维超声波检测仪对按上述步骤完成真空电子束焊接的靶材组件的焊缝进行检测，发现气孔面积仅占焊缝总面积的0.18％，如图2所示为该焊缝三维超声波检测仪的检测图，图中白色圆环为焊缝，黑点为气孔。
如果进行完上述步骤后的焊缝气孔率未能达到设计的气孔率要求，可多次重复步骤(3)～(5)，实施多次电子束焊接，在第一次焊接后进行真空保温促使气孔形成，再进行第二次焊接，除去该形成的气孔，如此反复，一直达到所设计的气孔率要求。
本实施例中所使用的各个焊接参数均只对本实施例有效，并不影响本发明其他实施方式。
Claims (5)
1、一种真空电子束焊接方法，其特征在于依次包括如下步骤：
(1)焊前准备：清洗靶材和背板，并把装配固定好的靶材和背板组成的靶材组件移至电子束真空室内进行隔离抽真空；
(2)预热焊缝；
(3)施行第一次真空电子束焊接；
(4)把完成步骤(3)的靶材组件进行真空保温；
(5)施行第二次真空电子束焊接；
(6)淬火：对完成步骤(5)的靶材组件取出真空室，进行急冷淬火。
2、根据权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：多次重复所述步骤(3)～(5)，进行多次电子束焊接。
3、根据权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤(2)中，采用电子束对焊缝进行预热。
4、根据权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(5)中，由焊缝材质和熔深大小确定焊接所需的电压、电流和焊接速度。
5、根据权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤(4)中，靶材组件保温时间为5分钟至2小时。
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