CN105149764A - 一种靶材与背板的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于靶材焊接技术领域，特别涉及一种靶材与背板的焊接方法，该方法依次包括以下步骤：(1)焊前准备：清洗靶材与背板；(2)CNC模拟焊接过程；(3)施行搅拌摩擦焊接，通过搅拌头的高速旋转，与靶材组件材料摩擦，使连接部位的材料温度升高而软化来完成焊接。与现有靶材行业的真空电子束焊接技术相比，该发明的优点在于：其作为一种固相焊接方法，避免了熔焊导致的氢原子扩散到熔池中形成气孔，从根本上解决了焊接气孔的问题；焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜；焊接前及焊接过程中对环境的污染小，是一种绿色环保的焊接方式。
Description
技术领域
本发明属于靶材焊接技术领域，特别涉及一种靶材与背板的焊接方法。
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背板、Cu环背板或Cu合金环背板经过焊接成形，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。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或铝合金之间的焊接，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，而以氢原子的形式存在于材料中，当焊接铝或者铝合金时，焊缝的高温给氢原子以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氢原子也会向焊缝中扩散；此外，外界的水、有机物等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。
溅射靶材一般都是在非常恶劣的环境之下工作。首先，其工作温度要高达300-400℃，同时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附近后，有可能导致焊缝开裂，靶面脱落损伤溅射机台；其次，如果焊缝中气孔较多以致形成通孔，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，价值昂贵的半导体生产设备是不允许出现这样的情况的。
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，气孔率的降低将变得极其缓慢。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。图1为使用电子束焊接的焊缝经X光检测的气孔缺陷图。
因此，需要人们研究出一种新的，不同于传统电子束等高能束焊接的，能有效解决靶材焊接中气孔缺陷问题的焊接方法。专利CN1962153A记述了使用真空电子束焊接减小气孔出现的方法，第一次焊接使气孔富集于焊缝中，真空保温后进行第二次焊接，然后急速淬火，这样就控制了靶材组件焊缝中的气孔率，但是不能完全避免气孔的出现。
本发明提供了一种传统靶材焊接方式外的第三种焊接方法，即搅拌摩擦焊接，用以解决靶材焊接中气孔缺陷的问题。
发明内容
本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，该方法是基于搅拌摩擦焊接技术，以彻底解决靶材焊接中气孔缺陷的问题。
一种靶材与背板的焊接方法，依次包括以下步骤：
(1)焊前准备：清洗靶材与背板，并把装配固定好的靶材与背板组成的靶材组件移至搅拌摩擦焊焊机上；
(2)对接缝进行CNC模拟焊接：通过CNC模拟空走，确定焊接路径与搅拌头位置一致；
(3)施行搅拌摩擦焊接：搅拌针在旋转的同时伸入靶材组件的接缝中，固定搅拌头的位置，靶材组件开始旋转，高速旋转的搅拌头与靶材组件之间的摩擦热使搅拌头前面的材料发生强烈的塑性变形，随着靶材组件的旋转，搅拌头后面高度塑性变形的材料逐渐沉积，靶材组件旋转一周后，搅拌头回抽，完成焊接。
步骤(1)中，靶材材料为铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金、纯铝或高纯铜，背板材料为6XXX铝合金、5XXX铝合金、4XXX铝合金或铜合金。
根据靶材与背板材料的不同，以及焊接深度的不同，步骤(3)可重复进行。
步骤(3)中，根据靶材与背板材料的不同，以及焊接深度的不同，来确定焊接所需的搅拌头型号、转速和焊接速度，优选的，搅拌头转速为400-800rpm，靶材组件转度为150-250mm/min，焊接温度不高于500℃。
所述搅拌头由工具钢制成，优选锥状带螺纹三平面钻头。
本发明的有益效果为：
(1)由于搅拌摩擦焊过程中的热输入相对于熔焊过程小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，这样就避免了熔焊导致的氢原子扩散到熔池中形成的气孔，从根本上解决了焊接气孔的问题；焊接过程中的摩擦与搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，保证了焊件的质量。
(2)操作前靶材组件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程无需真空环境，全程可在大气氛围中进行；搅拌摩擦焊对设备的要求不高，最基本的要求是搅拌头的旋转运动和靶材组件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型焊接的要求；搅拌摩擦焊是利用靶材组件与搅拌头相对运动、相互摩擦所产生的热，使焊缝材料达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接，可见，本发明的焊接设备投资低，操作费用低，且工艺简单，焊接效率可提高2-3倍以上。
(3)焊接过程中无烟尘和飞溅，噪声低，焊接过程安全、无辐射等，是一种绿色环保的焊接方式。
附图说明
图1为使用电子束焊接的焊缝经X光检测的气孔缺陷图；
图2为本发明实施例1中焊接组件与搅拌头位置示意图；
图3为本发明实施例1中焊缝经X光检测仪检测的结果；
图4为本发明实施例2中焊接组件与搅拌头位置示意图；
图5为本发明实施例2中焊缝经X光检测仪检测的结果；
图6为本发明中其他可能的焊接组件与搅拌头位置示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，该方法是基于搅拌摩擦焊接技术，能够彻底解决靶材焊接中气孔缺陷的问题。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但不应该用来限制本发明。
实施例1
靶材材料为Al-1％Si-0.5％Cu的铝硅铜合金，背板材料为6061铝合金，设计焊缝熔深为17mm，所得焊件气孔率为0。其中，焊接实施过程如下：
(1)焊前准备：清洗靶材和背板，再把装配固定好的靶材和背板组成的靶材组件移至搅拌摩擦焊焊机上，靶材组件与搅拌头的位置关系如图2所示；
(2)对接缝进行CNC模拟焊接：搅拌头选用锥状带螺纹三平面钻头，通过CNC模拟空走，确定焊接路径与搅拌头位置一致；
(3)施行搅拌摩擦焊接：搅拌针转速为600rad/min，温度490℃，伸入靶材组件的接缝中，伸入深度为17mm，固定搅拌头的位置，靶材组件以200mm/min的速度旋转一周，然后搅拌头回抽，完成焊接。
利用X光检测仪对按上述步骤完成焊接的靶材组件的焊缝进行检测，结果如图3所示，发现无气孔缺陷。
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2
靶材材料为Al-1％Si的铝硅合金，背板材料为6061铝合金，设计焊缝熔深为9mm，所得焊件无气孔缺陷。其中，焊接实施过程如下：
(1)焊前准备：清洗靶材和背板，再把装配固定好的靶材和背板组成的靶材组件移至搅拌磨擦焊焊机上，靶材组件与搅拌头的位置关系如图4所示；
(2)对接缝进行CNC模拟焊接：搅拌头选用锥状带螺纹三平面钻头，通过CNC模拟空走，确定焊接路径与搅拌头位置一致；
(3)施行搅拌摩擦焊接：搅拌针转速为600rad/min，温度450℃，伸入靶材组件的接缝中，伸入深度为9mm，固定搅拌头的位置，靶材组件以250mm/min的速度旋转一周，然后搅拌头回抽，完成焊接。
利用X光检测仪对按上述步骤完成焊接的靶材组件的焊缝进行检测，结果如图5所示，发现无气孔缺陷。
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 (6)
1.一种靶材与背板的焊接方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)焊前准备：清洗靶材与背板，并把装配固定好的靶材与背板组成的靶材组件移至搅拌摩擦焊焊机上；
(2)对接缝进行CNC模拟焊接：通过CNC模拟空走，确定焊接路径与搅拌头位置一致；
(3)施行搅拌摩擦焊接：搅拌针在旋转的同时伸入靶材组件的接缝中，固定搅拌头的位置，靶材组件开始旋转，旋转搅拌头与靶材组件之间的摩擦热使搅拌头前面的材料发生塑性变形，随着靶材组件的旋转，搅拌头后面塑性变形的材料发生沉积，靶材组件旋转一周后，搅拌头回抽，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，焊接的所有步骤均在大气气氛中进行。
3.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，步骤(1)中，所述靶材材料为铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金、纯铝或高纯铜，背板材料为6XXX铝合金、5XXX铝合金、4XXX铝合金或铜合金。
4.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，根据靶材与背板材料的不同，以及焊接深度的不同，步骤(3)可重复进行。
5.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，搅拌头转速为400-800rpm，靶材组件转度为150-250mm/min，焊接温度不高于500℃。
6.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述搅拌头由工具钢制成。
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