一种靶材与背板的焊接方法与流程

1.本发明属于靶材制备技术领域，尤其涉及一种靶材与背板的焊接方法。


背景技术：

2.溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，一般被称为溅射靶材。由于溅射靶材的强度不一，在实际应用过程中，需要将符合性能要求的溅射靶材和具有一定强度的背板结合制成靶材组件，然后安装在溅射机台上，在磁场、电场作用下有效地进行溅射控制。背板可以为溅射靶材提供支撑作用，并具有传导热量的功效，因此需要将溅射靶材和背板进行加工并焊接成型。
3.铝靶材通常是铝靶坯和铝合金背板结合制成，常用结合方法有扩散焊接等。cn110369897a公开了一种靶材与背板的焊接方法，所述方法包括如下步骤：准备靶材与背板，在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹；组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中；对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封；加热密封后的金属包套至第一温度，然后加压至第一压力，随后加热至第二温度，压力随温度升高至第二压力，保温保压后冷却至室温；去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。通过先升温再加压的方法，使螺纹更好地嵌入到硬度较小的材料中，提高了焊接面的接触面积，并能够破坏焊接面的氧化层，减少了氧化层对扩散焊接的阻挡作用，提升了焊接强度。
4.因金属铝的化学性质比较活泼，在干燥空气中能够马上形成致密的氧化膜，这给铝靶材扩散焊接前的表面处理带来极大的困难，导致铝靶材难以获得稳定可靠的焊接强度。此外因靶材结构和加工能力的限制，扩散焊接铝靶材的边缘常常容易出现未焊合的缺陷，这些缺陷是靶坯和背板结合的薄弱位置，极易在后续加工和使用时受力扩展，最终导致靶材脱焊。
5.电子束焊接技术是将高能电子束作为加工热源，用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属，使其快速熔融，然后迅速冷却来达到焊接的目的。相较于传统热源焊接方法，电子束焊接具有能量密度大、焊缝纯度高、焊缝深宽比大、焊接速度快等优点。但电子束焊接在焊接异种材料时，由于成分差异等问题，焊缝容易出现裂纹、气孔等缺陷，严重影响焊接质量。
6.因此，开发一种靶材和背板的电子束焊接方法，减少焊接裂纹、气孔等缺陷，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种靶材与背板的焊接方法，在传统扩散焊接铝靶材组件的侧面焊缝位置施加二次电子束焊接，使靶材和背板在局部产生冶金熔合，消除扩散焊接缺陷，极大提高靶坯与背板结合的可靠性，同时解决了传统电子束焊接铝材料时易产生气
孔、裂纹等缺陷的问题。
8.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
10.(1)将经扩散焊接后的靶材组件依次进行精车和清洗，得到预处理靶材组件；
11.(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接。
12.本发明所述焊接方法在传统扩散焊接铝靶材组件的侧面焊缝位置施加二次电子束焊接，使靶材和背板在局部产生冶金熔合，消除扩散焊接缺陷，极大提高靶坯与背板结合的可靠性，同时解决了传统电子束焊接铝材料时易产生气孔、裂纹等缺陷的问题。
13.作为本发明优选的技术方案，所述靶材包括铝靶材。
14.优选地，所述背板包括铝合金背板。
15.本发明所述铝靶材和铝合金背板虽然都是铝基材料，但在合金成分上有较大差异。
16.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述扩散焊接包括：组装靶材与背板，然后进行扩散焊接，得到靶材组件。
17.本发明经扩散焊接后，靶材与合金背板形成一定结合强度的靶材组件。
18.优选地，对步骤(1)所述靶材组件的外圆面进行精车。
19.优选地，步骤(1)所述精车后的外圆面粗糙度＜0.8μm，例如可以是0.7μm、0.6μm、0.5μm、0.4μm、0.3μm、0.2μm或0.1μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20.值得说明的是，若外圆面的粗糙度过大时，会影响电子束焊接的稳定性。
21.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述清洗包括超声波清洗。
22.优选地，步骤(1)所述清洗的清洗剂包括有机溶剂。
23.优选地，所述有机溶剂包括乙醇或异丙醇。
24.本发明所述靶材组件经清洗后，可去除靶材组件表面油污，破除表面氧化膜，减少气孔等缺陷的倾向。
25.作为本发明优选的技术方案，所述第一电子束焊接和第二电子束焊接的焊枪位置对准焊缝位置后，偏向靶材一侧0.2-0.5mm，例如可以是0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm或0.45mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
26.值得说明的是，相较于铝靶材，铝合金背板合金元素含量高，对气孔等缺陷更为敏感，向铝靶材侧偏束能降低缺陷倾向。
27.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第一电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa。
28.本发明中，所述第一电子束焊接和第二电子束焊接在电子束焊接设备中进行，焊接时设备真空度到需要达到5
×
10-2
pa以下。
29.优选地，步骤(2)所述第一电子束焊接的束流为10-15ma，例如可以是10.5ma、11ma、11.5ma、12ma、12.5ma、13ma、13.5ma、14ma或14.5ma等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30.优选地，步骤(2)所述第一电子束焊接的线速度为20-25mm/s，例如可以是21mm/s、
22mm/s、23mm/s、24mm/s或25mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
31.本发明中，所述第一电子束焊接时焦点置于焊缝表面；所述第一电子束焊接对焊缝位置进行预热，使得焊缝位置的冶金熔化。
32.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第二电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa。
33.优选地，步骤(2)所述第二电子束焊接的束流为60-80ma，例如可以是62ma、65ma、66ma、68ma、70ma、72ma、75ma、76ma或78ma等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
34.优选地，步骤(2)所述第二电子束焊接的焦点深度为20-25ma，例如可以是20.5ma、21ma、21.5ma、22ma、22.5ma、23ma、23.5ma、24ma或24.5ma等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35.优选地，步骤(2)所述第二电子束焊接的线速度为20-25mm/s，例如可以是21mm/s、22mm/s、23mm/s、24mm/s或25mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
36.值得说明的是，因束流及焦点深度综合影响熔池大小，本发明将其控制在特定范围内，使得熔池尺寸合适，不会影响靶材溅射区域，可避免产生气孔、裂纹等缺陷。
37.作为本发明优选的技术方案，在步骤(2)所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描。
38.值得说明的是，在第二电子束焊接的同时进行电子束扫描，对熔池进行搅拌，可大幅减少气孔生成。
39.优选地，所述电子束扫描的频率为350-450hz，例如可以是360hz、370hz、380hz、390hz、400hz、410hz、420hz、430hz或440hz等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
40.优选地，所述电子束扫描的振幅为0.08-0.12mm，例如可以是0.09mm、0.10mm、0.11mm或0.115mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
41.作为本发明优选的技术方案，对步骤(2)所述第二电子束焊接后的焊缝表面进行粗车。
42.作为本发明优选的技术方案，所述焊接方法包括以下步骤：
43.(1)将经扩散焊接后的靶材组件的依次进行精车和清洗，得到预处理靶材组件；
44.对所述靶材组件的外圆面进行精车，外圆面粗糙度＜0.8μm；
45.(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接，然后对焊缝表面进行粗车；
46.焊枪位置对准焊缝位置后，偏向靶材一侧0.2-0.5mm；
47.所述第一电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa、束流为10-15ma、线速度为20-25mm/s；
48.所述第二电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa、束流为60-80ma、线速度为20-25mm/s、焦点深度为20-25ma；
49.在所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描；所述电子束扫描的频率为350-450hz、振幅为0.08-0.12mm。
50.本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
51.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
52.本发明所述焊接方法在传统扩散焊接铝靶材的侧面焊缝位置施加二次电子束焊接，并通过对二次电子束焊接过程中相应参数的调控，使靶材和背板在局部产生冶金熔合，消除扩散焊接缺陷，极大提高靶材与背板结合的可靠性，同时解决了传统电子束焊接铝材料时易产生气孔、裂纹等缺陷的问题。
附图说明
53.图1为本发明实施例1中扩散焊接后靶材组件的结构示意图；
54.其中，1-铝靶材，2-铝合金背板，3-焊缝。
具体实施方式
55.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
56.实施例1
57.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
58.(1)组装铝靶材与铝合金背板，然后进行扩散焊接，得到靶材组件(结构示意图如图1所示)，对靶材组件的外圆面进行精车，使外圆面的粗糙度为0.6μm，之后将靶材组件置于乙醇中进行超声波清洗，得到预处理靶材组件；
59.(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接，然后对焊缝表面进行粗车；
60.焊枪位置对准焊缝位置后，偏向铝靶材一侧0.3mm；
61.所述第一电子束焊接时的真空度为1
×
10-2
pa、束流为12ma、线速度为22mm/s、焦点置于焊缝表面；
62.所述第二电子束焊接时的真空度为1
×
10-2
pa、束流为70ma、线速度为22mm/s、焦点深度为22ma；
63.在所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描；所述电子束扫描的频率为400hz、振幅为0.1mm。
64.实施例2
65.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
66.(1)组装铝靶材与铝合金背板，然后进行扩散焊接，得到靶材组件，对靶材组件的外圆面进行精车，使外圆面的粗糙度为0.4μm，之后将靶材组件置于异丙醇中进行超声波清洗，得到预处理靶材组件；
67.(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接，然后对焊缝表面进行粗车；
68.焊枪位置对准焊缝位置后，偏向铝靶材一侧0.22mm；
69.所述第一电子束焊接时的真空度为5
×
10-3
pa、束流为10ma、线速度为25mm/s、焦点置于焊缝表面；
70.所述第二电子束焊接时的真空度为5
×
10-3
pa、束流为60ma、线速度为25mm/s、焦点深度为20ma；
71.在所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描；所述电子束扫描的频率为360hz、振幅为0.09mm。
72.实施例3
73.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
74.(1)组装铝靶材与铝合金背板，然后进行扩散焊接，得到靶材组件，对靶材组件的外圆面进行精车，使外圆面的粗糙度为0.1μm，之后将靶材组件置于乙醇中进行超声波清洗，得到预处理靶材组件；
75.(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接，然后对焊缝表面进行粗车；
76.焊枪位置对准焊缝位置后，偏向铝靶材一侧0.45mm；
77.所述第一电子束焊接时的真空度为1
×
10-3
pa、束流为15ma、线速度为20mm/s、焦点置于焊缝表面；
78.所述第二电子束焊接时的真空度为1
×
10-3
pa、束流为80ma、线速度为20mm/s、焦点深度为25ma；
79.在所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描；所述电子束扫描的频率为450hz、振幅为0.11mm。
80.实施例4
81.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)中焊枪位置对准焊缝位置后，未偏向铝靶材一侧以外，其他条件均与实施例1相同。
82.实施例5
83.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)所述第二电子束焊接的束流为50ma以外，其他条件均与实施例1相同。
84.实施例6
85.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)所述第二电子束焊接的束流为90ma以外，其他条件均与实施例1相同。
86.实施例7
87.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)所述第二电子束焊接的焦点深度为15ma以外，其他条件均与实施例1相同。
88.实施例8
89.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)所述第二电子束焊接的焦点深度为30ma以外，其他条件均与实施例1相同。
90.实施例9
91.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)在所述第二电子束焊接的同时未进行电子束扫描以外，其他条件均与实施例1相同。
92.实施例10
93.本实施例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)所述电子束扫描的频率为300hz以外，其他条件均与实施例1相同。
94.对比例1
95.本对比例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(1)中未对靶材组件的外圆面进行精车以外，其他条件均与实施例1相同。
96.对比例2
97.本对比例提供了一种铝靶材与铝合金背板的焊接方法，除了步骤(2)中未进行第一电子束焊接以外，其他条件均与实施例1相同。
98.将上述实施例和对比例得到的靶材组件分别进行如下性能测试，测试结果如表1所示。
99.焊接结合率测试：采用超声波c扫描成像探伤仪进行测试，检测条件为15mhz/54db；
100.内部结构测试：将焊接处切小样进行分析，并将切面磨至光亮，肉眼查看熔池区域是否存在气孔或焊缝缺陷。
101.表1
102.[0103][0104]
由表1可以得出以下几点：
[0105]
(1)采用本发明实施例1-3提供的焊接方法，保证了焊接结合率≥99.9％，且焊缝处无气孔或裂纹等缺陷，极大提高靶坯与背板结合的可靠性；
[0106]
(2)综合实施例1和实施例5-6对比可知，当第二电子束焊接的束流过低时，因热输入较小，熔池凝固过快，导致部分区域未来得及完全熔合，加之热应力作用，从而出现裂纹，使得焊接结合率下降；当第二电子束焊接的束流过高时，因热输入过大，熔池深，底部气体来不及在材料凝固前排出，从而产生气孔，使得焊接结合率下降；综合实施例1和实施例7-8对比可知，当第二电子束焊接的焦点深度过低时，因熔池浅，熔池凝固过快，导致部分区域未来得及完全熔合，加之热应力作用，从而出现裂纹，使得焊接结合率下降；当第二电子束焊接的焦点深度过高时，因能量分散于表面，熔宽增大、熔池浅，熔池凝固过快，导致部分区域未来得及完全熔合，加之热应力作用，从而出现裂纹，使得焊接结合率下降；
[0107]
(3)综合实施例1和实施例9、10对比可知，当第二电子束焊接的同时未进行电子束扫描时，因缺少搅拌作用，熔池气体无法排出，出现气孔，使得焊接结合率下降；当电子束扫描的频率过低时，因搅拌作用不够，熔池气体无法排出，出现气孔，使得焊接结合率下降；
[0108]
(4)综合实施例1和对比例1对比可知，因电子束施加于此外圆面，若未进行精车，导致此面粗糙度过大会影响电子束焊接的稳定性，进而使得焊接结合率下降；
[0109]
(5)综合实施例1和对比例2对比可知，当未进行第一电子束焊接时，未对焊接位置进行预热，导致焊接处存在裂纹、气孔等缺陷。
[0110]
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
[0111]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0112]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0113]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：(1)将经扩散焊接后的靶材组件依次进行精车和清洗，得到预处理靶材组件；(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接。2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述靶材包括铝靶材；优选地，所述背板包括铝合金背板。3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述扩散焊接包括：组装靶材与背板，然后进行扩散焊接，得到靶材组件；优选地，对步骤(1)所述靶材组件的外圆面进行精车；优选地，步骤(1)所述精车后的外圆面粗糙度＜0.8μm。4.根据权利要求1-3任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗包括超声波清洗；优选地，步骤(1)所述清洗的清洗剂包括有机溶剂；优选地，所述有机溶剂包括乙醇或异丙醇。5.根据权利要求1-4任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述第一电子束焊接和第二电子束焊接的焊枪位置对准焊缝位置后，偏向靶材一侧0.2-0.5mm。6.根据权利要求1-5任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述第一电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa；优选地，步骤(2)所述第一电子束焊接的束流为10-15ma；优选地，步骤(2)所述第一电子束焊接的线速度为20-25mm/s。7.根据权利要求1-6任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述第二电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa；优选地，步骤(2)所述第二电子束焊接的束流为60-80ma；优选地，步骤(2)所述第二电子束焊接的焦点深度为20-25ma；优选地，步骤(2)所述第二电子束焊接的线速度为20-25mm/s。8.根据权利要求1-7任一项所述的焊接方法，其特征在于，在步骤(2)所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描；优选地，所述电子束扫描的频率为350-450hz；优选地，所述电子束扫描的振幅为0.08-0.12mm。9.根据权利要求1-8任一项所述的焊接方法，其特征在于，对步骤(2)所述第二电子束焊接后的焊缝表面进行粗车。10.根据权利要求1-9任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：(1)将经扩散焊接后的靶材组件的依次进行精车和清洗，得到预处理靶材组件；对所述靶材组件的外圆面进行精车，外圆面粗糙度＜0.8μm；(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接，然后对焊缝表面进行粗车；焊枪位置对准焊缝位置后，偏向靶材一侧0.2-0.5mm；所述第一电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa、束流为10-15ma、线速度为20-25mm/s；
所述第二电子束焊接时的真空度＜5
×
10-2
pa、束流为60-80ma、线速度为20-25mm/s、焦点深度为20-25ma；在所述第二电子束焊接的同时进行电子束扫描；所述电子束扫描的频率为350-450hz、振幅为0.08-0.12mm。

技术总结
本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：(1)将经扩散焊接后的靶材组件依次进行精车和清洗，得到预处理靶材组件；(2)对步骤(1)所述预处理靶材组件的焊缝位置依次进行第一电子束焊接和第二电子束焊接。本发明在传统扩散焊接铝靶材组件的侧面焊缝位置施加二次电子束焊接，使靶材和背板在局部产生冶金熔合，消除扩散焊接缺陷，极大提高靶坯与背板结合的可靠性，同时解决了传统电子束焊接铝材料时易产生气孔、裂纹等缺陷的问题。问题。问题。


技术研发人员：姚力军 潘杰 陈石 廖培君 慕二龙
受保护的技术使用者：宁波江丰电子材料股份有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/9/7