一种弧形面焊接型靶材的焊合率超声波检测方法与流程

1.本发明涉及溅射靶材无损探伤检测的技术领域，尤其涉及一种弧形面焊接型靶材的焊接合格率(焊合率)超声波检测方法。


背景技术：

2.溅射靶材作为镀膜的原材料，是一种具有高附加值的特种电子材料，广泛应用于半导体、磁记录、平面显示等众多领域，成为支撑集成电路、存储和显示器件、微机电系统传感器等先进元器件制造的战略性新材料。
3.目前，大部分溅射靶材均需焊接，由背板对靶材进行散热冷却。同时，根据溅射机台的不同，有些靶材的表面需做成圆盘状球面或环形弧面。然而，常规的超声波检测设备和水浸式探伤系统中探头在扫查过程中是固定的垂直于靶材表面，因此，对于平面靶材的扫查准确度很高；而对于圆盘状球面或环形弧面等弧形靶材表面，在扫查过程中无法保证探头与靶面始终保持垂直，探头发出的信号经靶面反射后不能被完全接收或完全无法接收，导致该区域靶材的焊合缺陷不易识别或漏检。
4.目前，许多工厂采用多点重复扫查的方式进行弧形面焊接型靶材的焊合率检测，该方法扫查结果存在偶然性和很多不确定性，无法有效判断焊合率是否合格，且效率极低。
5.中国专利cn114441635a公开了一种超声波检测系统及水浸式探伤方法，具体方法：将工件安装在放置台上；采用机械手优化并调整第一探头的初始角度，并配合第二探头用于接收信号；启动超声波检测系统，找到人工缺陷最大反射信号并记录信号信息。该专利可用于弧形工件的探伤，但未涉及如何实现弧形工件全面扫查并得到焊合率的具体方法。
6.中国专利cn111796027a公开了一种铜靶材组件中焊层缺陷率检测的方法，具体方法：将铜靶材组件表面抛光处理后再进行水浸式超声波探伤检测，并根据超声波探伤检测图计算得到缺陷率，将焊接结果量化。中国专利cn110133102a公开了一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统及其使用方法，主要是采用水浸式相控阵方法对不同类型的铝合金缺陷制定有区别性且高可重复性、高可再现性的检测。但这些方法均是对表面为平面的工件进行无损探伤检测。
7.综上所述，急需开发一种对弧形面焊接型靶材的焊合率全面扫查的高效、准确、简单易行的无损探伤检测方法。


技术实现要素：

8.针对本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种弧形面焊接型靶材的超声波检测方法，在常规水浸式超声波检测系统的基础上，增加了驱动摆动轴a轴和驱动旋转卡盘放置台w轴及联动装置来实现弧形面焊接型靶材焊合率的无损探伤超声波检测。
9.本发明采用简单的机械坐标轴而非智能机械手，在实现弧形面每个点都垂直于靶面的前提下，将点连成线，再将线连成面，从而实现靶材弧面的整体扫查，即保证了靶材扫
查的准确性，又简单易操作，效率较高。
10.本发明的上述目的是这样实现的：
11.一种弧形面焊接型靶材的焊接合格率(焊合率)超声波检测方法，采用x轴、y轴、z轴、a轴及w轴五轴联动扫查检测超声波探伤系统。所述x轴指向水平面内沿水箱长度的方向，所述y轴指向水平面内沿水箱宽度的方向，所述z轴指向与x-y平面垂直的方向；所述a轴为驱动摆动轴，系在y-z平面内旋转的超声波探头的角度；所述w轴为卡盘绕z轴旋转的驱动轴，指向三爪卡盘转台绕z轴水平旋转的方向。
12.具体包括如下步骤：
13.(1)采用标准试块对水浸式超声波探伤系统的坐标轴的步进值、扫查速度、扫查精度与设定值进行对比，若数据均在可接受范围内，则校检合格；
14.(2)将焊接型靶材的表面粗糙度ra处理至小于1.6μm，并放入旋转圆形卡盘上卡紧；靶材和探头均浸泡在超纯水中，拂去靶面和探头表面的气泡；
15.(3)设置靶材扫查起点：将探头移动至圆盘状球面工件的中心、或环形弧面工件的内圆边缘处，调节x轴至x1，y轴至y1；根据材料的声速、厚度，探头焦距及公式式中：h
水-水距，f-探头焦距，c
材-焊接型靶材材料声速，c
水
取值25℃下的声速1500m/s，l-焊接型靶材材料的厚度；计算该位置的水距h
水
并调节z轴至z1；调整探头摆动轴a轴角度至a1，直至与靶面垂直；
16.(4)设置靶材扫查终点：将探头沿x方向移动至圆盘状球面工件的边缘、或环形弧面工件的外圆边缘处，调节x轴至x2，y轴不变，即y1；计算此位置的水距h
水
并调节z轴至z2；调整探头摆动轴a轴角度至a2，直至与靶面垂直；
17.(5)扫查行程设置：设置圆盘状球面工件的原点o(x1，y1，z1)，环形弧面工件的原点o(x
1-r，y1，z1)；设置x轴的步进，卡盘驱动轴w轴的扫描速度。其中，r为环形弧面工件的内径；z轴和摆动轴a轴步进根据x轴步进从动变化，无需单独设置；
18.(6)扫查及结果分析：调节增益并在电脑终端运行c扫描探伤系统软件。从起点(x1，y1，z1，a1)开始，卡盘驱动轴w轴旋转一周，x、z、a轴同时步进一次，依次循环，直至终点(x2，y1，z2，a2)扫查结束。设定不合格增益值并根据扫查结果确定未焊合区域面积和公式(焊合率＝未焊合区面积/理论焊合面积)，计算其焊合率。与客户要求的焊合率值相比较，判定是否合格；若高于客户要求值，即判为合格。
19.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
20.(1)本发明采用x轴、y轴、z轴、a轴及w轴五轴联动坐标系的探伤系统，相比于现用x轴、y轴、z轴三轴联动坐标系的探伤系统，有效解决了探伤系统仅用于平面扫查工件的弊端，较易于实现弧形面工件的批量检测，确保检测准确性；
21.(2)本发明采用多轴联动机械坐标系统的探伤设备，相较于智能机械手的探伤系统，设备制造及软件编程上更为简单，造价成本更低。
附图说明
22.图1：本发明弧形面焊接型靶材的水浸式无损探伤检测方法的步骤简图。
23.图2：x轴、y轴、z轴、a轴及w轴五轴联动坐标系的超声波探伤系统示意图。
24.图3：本发明实施例1圆盘状球面的焊接靶的焊合率伤波c扫图。
25.图4：本发明实施例1圆盘状球面的焊接靶的c扫图标识点及对应a扫图。
26.图5：本发明实施例4环形弧面的焊接靶的焊合率伤波c扫图。
27.图6：本发明实施例4环形弧面的焊接靶的c扫图标识点及对应a扫图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
29.如图1所示，本发明所述弧形焊接靶材的焊合率检测方法，具体包括如下步骤：
30.(1)采用标准试块对水浸式超声波探伤系统的坐标轴的步进值、扫查速度、扫查精度与设定值进行对比，若数据均在可接受范围内，则校检合格；
31.(2)将焊接型靶材的表面粗糙度ra处理至小于1.6μm，并放入旋转圆形卡盘上卡紧；靶材和探头均浸泡在超纯水中，拂去靶面和探头表面的气泡；
32.(3)设置靶材扫查起点：将探头移动至圆盘状球面工件的中心、或环形弧面工件的内圆边缘处，调节x轴至x1，y轴至y1；根据材料的声速、厚度，探头焦距及公式式中：h
水-水距，f-探头焦距，c
材-焊接型靶材材料声速，c
水
取值25℃下的声速1500m/s，l-焊接型靶材材料的厚度；计算该位置的水距h
水
并调节z轴至z1；调整探头摆动轴a轴角度至a1，直至与靶面垂直；
33.(4)设置靶材扫查终点：将探头沿x方向移动至圆盘状球面工件的边缘、或环形弧面工件的外圆边缘处，调节x轴至x2，y轴不变，即y1；计算此位置的水距h
水
并调节z轴至z2；调整探头摆动轴a轴角度至a2，直至与靶面垂直；
34.(5)扫查行程设置：设置圆盘状球面工件的原点o(x1，y1，z1)，环形弧面工件的原点o(x
1-r，y1，z1)；设置x轴的步进，卡盘驱动轴w轴的扫描速度。其中，r为环形弧面工件的内径；z轴和摆动轴a轴步进根据x轴步进从动变化，无需单独设置。
35.(6)扫查及结果分析：调节增益值在25-35％并在电脑终端运行c扫描探伤系统软件。从起点(x1，y1，z1，a1)开始，卡盘驱动轴w轴旋转一周，x、z、a轴同时步进一次，依次循环，直至终点(x2，y1，z2，a2)扫查结束。设定不合格增益值的范围为大于65％-70％，并根据扫查结果确定未焊合区域面积和公式(焊合率＝未焊合区面积/理论焊合面积)，计算其焊合率。与客户要求的焊合率值相比较，判定是否合格；若高于客户要求值，即判为合格。
36.实施例1
37.采用如下步骤检测弧形焊接靶材的焊合率：
38.(1)采用标准试块对水浸式超声波探伤系统的坐标轴的步进值、扫查速度、扫查精度与设定值进行对比，测试数据均在可接受范围内，设备校检合格；
39.(2)将直径φ＝300mm，靶厚t＝4.5mm的圆盘状球面的焊接型靶材的表面粗糙度ra处理至0.8μm，并放入旋转圆形卡盘上卡紧，靶材和探头均浸泡在超纯水中，拂去靶面和探头表面的气泡；
40.(3)设置靶材扫查起点：将探头移动至圆盘状球面工件的中心，计算该位置的水距h
水
＝112.3mm，调节坐标轴至(244.00,532.55,275.12,0
°
)；
41.(4)设置靶材扫查终点：将探头沿x方向移动至圆盘状球面工件的边缘，该位置水距不变，调节坐标轴至(394.00,532.55,279.68,2.89
°
)；
42.(5)扫查行程设置：设置圆盘状球面工件的原点o(244.00,532.55,275.12)；设置x轴步进为0.5mm，卡盘驱动轴w轴扫描速度为60
°
/s。
43.(6)扫查及结果分析：调节增益值为30％并在电脑终端运行c扫描探伤系统软件，用时为30min6s。设定不合格增益值大于70％，确定未焊合面积为42.50mm2，焊合率为99.94％，高于客户要求(≥97％)，判定合格。
44.本实施例靶材焊合率的c扫图如图3所示，c扫图标识位置为缺陷区域，其对应的a扫波形图如图4所示。
45.实施例2
46.与实施例1不同之处在于，(5)设置x轴步进为0.1mm，w轴扫描速度为30
°
/s。
47.实施例3
48.与实施例1不同之处在于，(5)设置x轴步进为0.05mm，w轴扫描速度为30
°
/s。
49.实施例4
50.与实施例1不同之处在于：
51.(2)外径φ＝300mm，内径φ＝200mm，靶厚t＝3mm的环形弧面的焊接型靶材；
52.(3)设置靶材扫查起点：将探头移动至环形弧面工件的内圆边缘处，计算该位置的水距h
水
＝117.2mm，调节坐标轴至(344.00,532.55,280.02,1.52
°
)；
53.(4)设置靶材扫查终点：将探头沿x方向移动至环形弧面工件的外圆边缘处，调节坐标轴至(394.00,532.55,282.48,2.89
°
)；
54.(5)扫查行程设置：设置圆盘状球面工件的原点o(244.00,532.55,280.02)。
55.本实施例靶材焊合率的c扫图如图5所示，c扫图标识位置为z正常区域，其对应的a扫波形图如图6所示。
56.对比例1
57.与实施例1不同之处在于，(5)设置x轴步进为0.01mm，w轴扫描速度为3
°
/s。
58.对比例2
59.与实施例1不同之处在于，(5)设置x轴步进为1mm，w轴扫描速度为60
°
/s。
60.表1各实施例焊合率检测情况一览表
[0061][0062][0063]
由以上结果可知，当x轴步进在0.05-0.5mm，w轴扫描速度在10
°
/s-120
°
/s，焊合率值较为稳定，扫查时间相对较短，可接受；若x步进较大(超过0.5mm)时，采集点较大，很多缺陷点会被忽略，导致焊合率值出现偏差；当w轴扫描速度较小(低于10
°
/s)时，扫查时间较
长，效率较低，不利于批量生产。

技术特征：
1.一种弧形面焊接型靶材的焊合率超声波检测方法，其特征在于：将采用包含x轴、y轴、z轴及探头摆动轴a轴的四轴驱动机械坐标探头和驱动旋转卡盘w轴的水浸式超声波探伤系统对具有圆盘状球面或环形弧面的焊接工件进行靶材与背板焊合质量的检验，分析判定未焊合区域面积，最终得到焊合率。2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用标准试块对水浸式超声波探伤系统的坐标轴运行情况、探头灵敏度及缺陷识别情况进行校检；步骤2，将焊接型靶材放入旋转圆形卡盘上卡紧，确保靶材和探头均浸泡在超纯水中，且靶面和探头表面无气泡干扰；步骤3，设置靶材扫查起点：将探头移动至圆盘状球面工件的中心、或环形弧面工件的内圆边缘处，调节x轴至x1，y轴至y1；计算该位置的水距h
水
，调节z轴至z1，并调整探头摆动轴a轴角度至a1，直至与靶面垂直；所述x1、y1、z1为原点o座标；步骤4，设置靶材扫查终点：将探头沿x方向移动至圆盘状球面工件的边缘、或环形弧面工件的外圆边缘处，调节x轴至x2，y轴保持y1不变；计算此位置的水距h
水
，调节z轴至z2，并调整探头摆动轴a轴角度至a2，直至与靶面垂直；步骤5，扫查行程设置：设置圆盘状球面工件的原点o(x1，y1，z1)，环形弧面工件的原点o(x
1-r，y1，z1)；设置x轴的步进，卡盘驱动轴w轴的扫描速度；其中，r为环形弧面工件的内径；z轴和摆动轴a轴步进根据x轴步进从动变化，无需单独设置；步骤6，扫查及结果分析：调节增益并在电脑终端运行c扫描探伤系统软件；从起点开始，卡盘驱动轴w轴旋转一周，x、z、a轴同时步进一次，依次循环，直至终点扫查结束；步骤7，设定不合格增益值并根据扫查结果确定未焊合区域面积，并计算其焊合率。3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述h
水
的具体计算公式如下：式中，h
水-水距，f-探头焦距，c
材-焊接型靶材材料声速，c
水
取值25℃下的声速1500m/s，l-焊接型靶材材料的厚度。4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述步骤3和步骤4的顺序互换。5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在步骤2中：所述焊接型靶材的表面粗糙度ra≤1.6μm。6.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在步骤5中：所述探伤系统的x轴步进：0.05mm-0.5mm。7.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在步骤5中：所述探伤系统的卡盘驱动轴w轴的扫描速度：10
°
/s-120
°
/s。8.根据权利要求1-7任一项所述的检测方法，其特征在于：所述焊合率＝未焊合区面积
÷
理论焊合面积。

技术总结
本发明公开了一种弧形面焊接型靶材的焊合率超声波检测方法，所述的检测步骤包括：将焊接型靶材放入旋转圆形卡盘上卡紧，确保靶材和探头均浸泡在超纯水中，且靶面和探头表面无气泡干扰；设置靶材起点、终点和原心及扫查行程，始终保持探头与靶面垂直；设置增益从起点开始，卡盘驱动轴W轴旋转一周后X、Z、A轴同时步进一次，依次循环，直至终点扫查结束；并根据其结果确定未焊合区域面积并计算焊合率。该方法可用于圆盘状球面、或环形弧面的焊接型靶材的无损检测，操作简单易行、准确性和效率较高。准确性和效率较高。准确性和效率较高。


技术研发人员：沈月 闻明 万家成 普志辉 王传军 许彦亭 何云帅
受保护的技术使用者：贵研铂业股份有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/24