一種靶材與背板的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于靶材焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種靶材與背板的焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導體工業(yè)領(lǐng)域，對于濺射靶材產(chǎn)品的制造工藝，通常要將符合濺射靶材性能的高純度鋁或鋁合金靶材與高強度鋁環(huán)背板、Cu環(huán)背板或Cu合金環(huán)背板經(jīng)過焊接成形，然后再經(jīng)過粗加工、精加工等工藝，最后加工成尺寸合格的濺射靶材產(chǎn)品。
[0003]對于濺射靶材來說，焊接后靶材表面溫度不能高于其再結(jié)晶溫度，否則會導致靶材內(nèi)部晶粒大小和取向的變化，并且鋁合金的導熱系數(shù)特別大，傳熱迅速，只有采用能量非常密集的熱源才有可能確保焊縫熔化的同時，能有效控制靶材表面溫度，目前的焊接方法中通常只有電子束焊接和激光焊接能滿足這一要求，但后者投資過于巨大，因而人們往往選擇電子束焊接。電子束焊接是指利用高能電子束轟擊焊縫材料表面，產(chǎn)生熱量，使得焊縫處需要焊接的一種或多種金屬熔化，從而完成焊接過程。
[0004]對于高純鋁之間以及高純鋁或鋁合金之間的焊接，還存在另外一個問題:焊縫中氣孔率極難控制，由于其在熔煉階段往往采取了各種手段使得吸收的氫不能形成氣孔，而以氫原子的形式存在于材料中，當焊接鋁或者鋁合金時，焊縫的高溫給氫原子以足夠的能量擴散到一起形成氣孔，同時由于焊縫處溫度升高，氫的溶解度急劇上升，焊縫周圍熱影響區(qū)內(nèi)氫原子也會向焊縫中擴散；此外，外界的水、有機物等分解出的氫也會被焊縫吸收，因此利用電子束焊接高純鋁或者鋁合金時，焊縫內(nèi)的氣孔極難控制。
[0005]濺射靶材一般都是在非常惡劣的環(huán)境之下工作。首先，其工作溫度要高達300-400°C，同時靶材組件的一側(cè)充以冷卻水強冷，另一側(cè)則處在10-9Pa高真空下，因此在兩側(cè)形成了一個巨大的壓力差，如果焊縫存在較大或者較多的氣孔，則由于氣孔的隔熱作用使得氣孔周圍溫度急劇上升，明顯高于周邊地區(qū)，當溫度上升到鋁或者鋁合金的熔點附近后，有可能導致焊縫開裂，靶面脫落損傷濺射機臺；其次，如果焊縫中氣孔較多以致形成通孔，水會在壓力差作用下滲漏到另一側(cè)，損害濺射設(shè)備。靶材都是在高精密的濺射設(shè)備上使用，價值昂貴的半導體生產(chǎn)設(shè)備是不允許出現(xiàn)這樣的情況的。
[0006]目前國內(nèi)常用的鋁合金電子束焊接降低氣孔率的方法主要是重復電子束焊和掃描電子束焊。其中，重復電子束焊指在同一焊縫上反復焊接，它的優(yōu)點是相當于增大了焊縫熔池保存時間，使得氣體容易逸出從而降低氣孔率，缺點是重復焊接會導致合金元素的燒損，同時重復焊接引起的熱影響區(qū)溫度大幅度升高導致組件的變形，而且重復幾次焊接以后，氣孔率的降低將變得極其緩慢。掃描焊接是指電子束在沿著焊縫方向移動時，在垂直焊縫方向上也作左右移動，移動頻率一般在幾十赫茲左右，其優(yōu)點是通過電子束的左右移動對熔池起到機械攪拌作用，使得熔池中氣體容易逸出，缺點是掃描焊接對降低氣孔率的作用有限，不能從根本上解決氣孔率的降低。圖1為使用電子束焊接的焊縫經(jīng)X光檢測的氣孔缺陷圖。
[0007]因此，需要人們研究出一種新的，不同于傳統(tǒng)電子束等高能束焊接的，能有效解決靶材焊接中氣孔缺陷問題的焊接方法。專利CN 1962153A記述了使用真空電子束焊接減小氣孔出現(xiàn)的方法，第一次焊接使氣孔富集于焊縫中，真空保溫后進行第二次焊接，然后急速淬火，這樣就控制了靶材組件焊縫中的氣孔率，但是不能完全避免氣孔的出現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明提供了一種傳統(tǒng)靶材焊接方式外的第三種焊接方法，即攪拌摩擦焊接，用以解決靶材焊接中氣孔缺陷的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種靶材與背板的焊接方法，該方法是基于攪拌摩擦焊接技術(shù)，以徹底解決靶材焊接中氣孔缺陷的問題。
[0010]—種靶材與背板的焊接方法，依次包括以下步驟:
[0011](I)焊前準備:清洗靶材與背板，并把裝配固定好的靶材與背板組成的靶材組件移至攪拌摩擦焊焊機上；
[0012](2)對接縫進行CNC模擬焊接:通過CNC模擬空走，確定焊接路徑與攪拌頭位置一致；
[0013](3)施行攪拌摩擦焊接:攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時伸入靶材組件的接縫中，固定攪拌頭的位置，靶材組件開始旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與靶材組件之間的摩擦熱使攪拌頭前面的材料發(fā)生強烈的塑性變形，隨著靶材組件的旋轉(zhuǎn)，攪拌頭后面高度塑性變形的材料逐漸沉積，靶材組件旋轉(zhuǎn)一周后，攪拌頭回抽，完成焊接。
[0014]步驟(I)中，靶材材料為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁硅銅合金、純鋁或高純銅，背板材料為6XXX鋁合金、5XXX鋁合金、4XXX鋁合金或銅合金。
[0015]根據(jù)靶材與背板材料的不同，以及焊接深度的不同，步驟(3)可重復進行。
[0016]步驟(3)中，根據(jù)靶材與背板材料的不同，以及焊接深度的不同，來確定焊接所需的攪拌頭型號、轉(zhuǎn)速和焊接速度，優(yōu)選的，攪拌頭轉(zhuǎn)速為400-800rpm，靶材組件轉(zhuǎn)度為150-250mm/min,焊接溫度不高于500°C。
[0017]所述攪拌頭由工具鋼制成，優(yōu)選錐狀帶螺紋三平面鉆頭。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019](I)由于攪拌摩擦焊過程中的熱輸入相對于熔焊過程小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過程，這樣就避免了熔焊導致的氫原子擴散到熔池中形成的氣孔，從根本上解決了焊接氣孔的問題；焊接過程中的摩擦與攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，保證了焊件的質(zhì)量。
[0020](2)操作前靶材組件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程無需真空環(huán)境，全程可在大氣氛圍中進行；攪拌摩擦焊對設(shè)備的要求不高，最基本的要求是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運動和靶材組件的相對運動，即使一臺銑床也可簡單地達到小型焊接的要求；攪拌摩擦焊是利用靶材組件與攪拌頭相對運動、相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使焊縫材料達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接，可見，本發(fā)明的焊接設(shè)備投資低，操作費用低，且工藝簡單，焊接效率可提高2-3倍以上。
[0021](3)焊接過程中無煙塵和飛濺，噪聲低，焊接過程安全、無輻射等，是一種綠色環(huán)保的焊接方式。
【附圖說明】
[0022]圖1為使用電子束焊接的焊縫經(jīng)X光檢測的氣孔缺陷圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例1中焊接組件與攪拌頭位置示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實施例1中焊縫經(jīng)X光檢測儀檢測的結(jié)果；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例2中焊接組件與攪拌頭位置示意圖；
[0026]圖5為本發(fā)明實施例2中焊縫經(jīng)X光檢測儀檢測的結(jié)果；
[0027]圖6為本發(fā)明中其他可能的焊接組件與攪拌頭位置示意圖。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明提供了一種靶材與背板的焊接方法，該方法是基于攪拌摩擦焊接技術(shù)，能夠徹底解決靶材焊接中氣孔缺陷的問題。下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明，但不應該用來限制本發(fā)明。
[0029]實施例1
[0030]靶材材料為Al-1 % S1-0.5% Cu的鋁硅銅合金，背板材料為6061鋁合金，設(shè)計焊縫熔深為17mm，所得焊件氣孔率為O。其中，焊接實施過程如下:
[0031](I)焊前準備:清洗靶材和背板，再把裝配固定好的靶材和背板組成的靶材組件移至攪拌摩擦焊焊機上，靶材組件與攪拌頭的位置關(guān)系如圖2所示；
[0032](2)對接縫進行CNC模擬焊接:攪拌頭選用錐狀帶螺紋三平面鉆頭，通過CNC模擬空走，確定焊接路徑與攪拌頭位置一致；
[0033](3)施行攪拌摩擦焊接:攪拌針轉(zhuǎn)速為600rad/min，溫度490°C，伸入靶材組件的接縫中，伸入深度為17_，固定攪拌頭的位置，革El材組件以200mm/min的速度旋轉(zhuǎn)一周，然后攬摔頭回抽，完成焊接。
[0034]利用X光檢測儀對按上述步驟完成焊接的靶材組件的焊縫進行檢測，結(jié)果如圖3所示，發(fā)現(xiàn)無氣孔缺陷。
[0035]本實施例中所使用的各個焊接參數(shù)均只對本實施例有效，并不影響本發(fā)明其他實施方式。
[0036]實施例2
[0037]靶材材料為Al-1 % Si的鋁硅合金，背板材料為6061鋁合金，設(shè)計焊縫熔深為9mm，所得焊件無氣孔缺陷。其中，焊接實施過程如下:
[0038](I)焊前準備:清洗靶材和背板，再把裝配固定好的靶材和背板組成的靶材組件移至攪拌磨擦焊焊機上，靶材組件與攪拌頭的位置關(guān)系如圖4所示；
[0039](2)對接縫進行CNC模擬焊接:攪拌頭選用錐狀帶螺紋三平面鉆頭，通過CNC模擬空走，確定焊接路徑與攪拌頭位置一致；
[0040](3)施行攪拌摩擦焊接:攪拌針轉(zhuǎn)速為600rad/min，溫度450°C，伸入靶材組件的接縫中，伸入深度為9_，固定攪拌頭的位置，革El材組件以250mm/min的速度旋轉(zhuǎn)一周，然后攪拌頭回抽，完成焊接。
[0041]利用X光檢測儀對按上述步驟完成焊接的靶材組件的焊縫進行檢測，結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)無氣孔缺陷。
[0042]本實施例中所使用的各個焊接參數(shù)均只對本實施例有效，并不影響本發(fā)明其他實施方式D
【主權(quán)項】
1.一種靶材與背板的焊接方法，其特征在于，依次包括以下步驟: (1)焊前準備:清洗靶材與背板，并把裝配固定好的靶材與背板組成的靶材組件移至攪拌摩擦焊焊機上； (2)對接縫進行CNC模擬焊接:通過CNC模擬空走，確定焊接路徑與攪拌頭位置一致； (3)施行攪拌摩擦焊接:攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時伸入靶材組件的接縫中，固定攪拌頭的位置，靶材組件開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)攪拌頭與靶材組件之間的摩擦熱使攪拌頭前面的材料發(fā)生塑性變形，隨著靶材組件的旋轉(zhuǎn)，攪拌頭后面塑性變形的材料發(fā)生沉積，靶材組件旋轉(zhuǎn)一周后，攬摔頭回抽，完成焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，焊接的所有步驟均在大氣氣氛中進行。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，步驟(I)中，所述靶材材料為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁硅銅合金、純鋁或高純銅，背板材料為6XXX鋁合金、5XXX鋁合金、4XXX鋁合金或銅合金。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，根據(jù)靶材與背板材料的不同，以及焊接深度的不同，步驟(3)可重復進行。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，步驟(3)中，攪拌頭轉(zhuǎn)速為400-800rpm，靶材組件轉(zhuǎn)度為150-250mm/min，焊接溫度不高于500°C。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述攪拌頭由工具鋼制成。
【專利摘要】本發(fā)明屬于靶材焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種靶材與背板的焊接方法，該方法依次包括以下步驟：(1)焊前準備：清洗靶材與背板；(2)CNC模擬焊接過程；(3)施行攪拌摩擦焊接，通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，與靶材組件材料摩擦，使連接部位的材料溫度升高而軟化來完成焊接。與現(xiàn)有靶材行業(yè)的真空電子束焊接技術(shù)相比，該發(fā)明的優(yōu)點在于：其作為一種固相焊接方法，避免了熔焊導致的氫原子擴散到熔池中形成氣孔，從根本上解決了焊接氣孔的問題；焊前工件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜；焊接前及焊接過程中對環(huán)境的污染小，是一種綠色環(huán)保的焊接方式。
【IPC分類】B23K20/12, B23K20/24
【公開號】CN105149764
【申請?zhí)枴緾N201510522856
【發(fā)明人】賈存峰, 萬小勇, 徐學禮, 李勇軍, 王興權(quán), 徐國進, 張巧霞, 于海洋, 廖贊
【申請人】有研億金新材料有限公司
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月24日