热等静压焊接方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种热等静压焊接方法。

背景技术：

钨合金是以钨为基加入其他元素组成的合金。在金属中，钨的熔点较高，高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好，比重大，除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外，钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。

现有技术通常采用热等静压技术焊接钨合金，热等静压是在高温高压密封容器中，以高压惰性气体为介质，对其中的待焊接物施加各向均等静压力，形成高致密度坯料的方法。

但是，现有技术热等静压焊接方法形成的钨合金质量不高、良率也较低，无法满足制造生产的需求。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提出一种热等静压焊接方法，以提高热等静压焊接的质量。

为解决上述问题，本发明提供一种热等静压焊接方法，包括：

提供第一工件和第二工件；

制作模具，所述模具包括用于容纳第一工件的第一开孔和用于容纳第二工件的第二开孔，所述第一开孔和第二开孔相互连通；

将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔；

在所述模具外侧包裹包套；

对所述包套进行热等静压工艺，使所述第一工件和第二工件焊接形成焊接结构；

去除所述包套，取出所述焊接结构。

可选的，所述第一工件和第二工件的材料为钨合金。

可选的，所述第一工件和第二工件的形状为圆柱体，在制作模具的步骤中，使所述第一开孔和第二开孔为圆柱形开孔。

可选的，使所述第一开孔的半径与所述第一工件的半径相匹配，使所述第二开孔的半径与所述第二工件的半径相匹配。

可选的，在制作模具的步骤中，使所述第一开孔和第二开孔的中心相对齐。

可选的，在制作模具的步骤中，使所述模具为板状长方体，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一开孔开设于所述第一表面，所述第二开孔开设于所述第二表面。

可选的，在制作模具的步骤中，所述模具的材料为金属。

可选的，将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔之前，在所述第一开孔和第二开孔侧壁上设置衬垫物。

可选的，在所述第一开孔和第二开孔侧壁上设置衬垫物的步骤包括：在所述第一开孔和第二开孔侧壁上涂布隔离层，并使所述隔离层覆盖所述第一开孔和第二开孔侧壁以及第一开孔和第二开孔侧壁的连接面。

可选的，所述隔离层的材料为氮化硼。

可选的，在所述第一开孔和第二开孔侧壁上设置衬垫物的步骤包括：在所述第一开孔和第二开孔侧壁上设置隔离物，使所述隔离物覆盖述第一开孔和第二开孔的侧壁。

可选的，所述隔离物的材料为陶瓷。

可选的，所述第一开孔和第二开孔为圆柱形开孔，所述隔离物为分别覆盖于第一开孔和第二开孔侧壁上的环状隔离物，所述环状隔离物垂直所述圆柱形开口母线方向的截面为环状。

可选的，所述第一工件具有第一焊接面和与第一焊接面相对的第一背面， 所述第二工件具有第二焊接面和与第一焊接面相对的第二背面，在将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔的步骤中，使所述第一焊接面和第二焊接面在所述第一开孔和第二开孔的连通处相接触。

可选的，在所述模具外侧包裹包套之后，对所述包套进行热等静压工艺之前，还包括：对所述包套内部进行脱气工艺。

可选的，对所述包套内部脱气的步骤包括：加热所述包套至温度达300℃～400℃后，进行保温步骤，所述加热及保温过程中，持续抽真空使包套内的真空度至少为2×10^-3Pa，所述保温时间为2～4小时。

可选的，对所述包套进行热等静压工艺的步骤包括：热等静压工艺的温度在750到900度的范围内，环境压强在120兆帕以上，保温保压时间在4到6小时。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在对第一工件和第二工件进行热等静压焊接工艺之前制作模具，所述模具包括用于容纳第一工件的第一开孔和用于容纳第二工件的第二开孔。之后将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔，并在所述模具外侧包裹包套，对所述包套进行热等静压工艺。在热等静压工艺的过程中，所述第一工件和第二工件的位置被所述模具固定，并且第一工件和第二工件四周被所述模具保护，使得所述第一工件和第二工件不容易在高压下被挤压造成损伤，进而提高了第一工件和第二工件焊接形成的焊接结构的质量。

进一步的，将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔之前，在所述第一开孔和第二开孔侧壁上设置衬垫物，这样在热等静压焊接之后，便于将所述焊接结构和模具分离。

附图说明

图1本发明热等静压焊接方法一实施例的流程示意图；

图2至图8是图1所示热等静压焊接方法各个步骤的结构示意图；

图9是本发明热等静压焊接方法另一实施例的示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，采用现有热等静压工艺直接处理两个钨合金待焊接物，焊接形成的产品质量较差。

分析现有技术对钨合金待焊接物进行热等静压工艺形成的产品质量较差的原因：钨合金比较脆，受压后易碎，且不容易加工，采用现有热等静压工艺直接处理两个钨合金待焊接物，很容易对钨合金待焊接物造成损伤，使焊接形成的产品质量较差甚至报废。此外，钨合金常用于精密器件，因此两种待焊接物的同心度要求也较高，采用现有热等静压技术对两种待焊接物时，待焊接物可能在较大的压力下发生错位，影响待焊接物的同心度，进而降低焊接形成的产品质量

本发明在对第一工件和第二工件进行热等静压焊接工艺之前制作模具，所述模具包括用于容纳第一工件的第一开孔和用于容纳第二工件的第二开孔。之后将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔，并在所述模具外侧包裹包套，对所述包套进行热等静压工艺。在热等静压工艺的过程中，所述第一工件和第二工件的位置被所述模具固定，并且第一工件和第二工件四周被所述模具保护，使得所述第一工件和第二工件不容易在高压下被挤压造成损伤，进而提高了第一工件和第二工件焊接形成的焊接结构的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1所示为本发明提供热等静压焊接方法一实施例的流程图，本发明热等静压焊接方法大致包括：

步骤S1，提供第一工件和第二工件；

步骤S2，制作模具，所述模具包括用于容纳第一工件的第一开孔和用于容纳第二工件的第二开孔，所述第一开孔和第二开孔相互连通；

步骤S3，将所述第一工件和第二工件分别放入所述第一开孔和第二开孔；

步骤S4，在所述模具外侧包裹包套；

步骤S5，对所述包套进行热等静压工艺，使所述第一工件和第二工件焊 接形成焊接结构；

步骤S6，去除所述包套，取出所述焊接结构。

下面结合图2至图8所示图1所示热等静压焊接方法实施例各个步骤的示意图，详细介绍本发明的具体实施方式。

参考图2，执行步骤S1，提供第一工件100和第二工件101。所述第一工件100和第二工件101用于焊接形成机械加工的刀具。在将第一工件100和第二工件101焊接形成焊接结构之后，原第一工件100的部分可以用于形成刀具的刀头，原第二工件101的部分可以用于形成刀具的刀柄。

在本实施例中，所述第一工件100和第二工件101的材料为钨合金，钨合金高温强度和抗蠕变性能很好，适合制作车削加工用的刀具。但是本发明对所述第一工件100和第二工件101的材料不做限制，在其他实施例中，所述第一工件100和第二工件101的材料还可以为钢材料、铝合金、钛合金等其他任意金属或合金材料。

在本实施例中，所述第一工件100和第二工件101的形状为圆柱体。但是本发明对所述第一工件100和第二工件101的形状不做限制。

参考图3和图4，图4为图3中AA`线的剖视图，执行步骤S2，制作模具200，所述模具200包括用于容纳第一工件100的第一开孔203和用于容纳第二工件101的第二开孔204，所述第一开孔203和第二开孔204相互连通。

具体地，在本实施例中，在制作模具200的步骤中，使所述模具200为板状长方体，具有第一表面201和与所述第一表面201相对的第二表面202，所述第一开孔203开设于所述第一表面201，所述第二开孔204开设于所述第二表面202。所述模具200的形状为长方体的好处在于，便于后续的包套制作，并且在热等静压焊接工艺中对所述第一工件100和第二工件101提供均匀的压力，但是本发明对所述模具200的形状不做限制，在他实施例中，所述模具200的形状还可以为球体、圆柱体或其他形状。

结合参考图2、图3和图4，在本实施例中，由于所述第一工件100和第二工件101的形状为圆柱体，使所述第一开孔203和第二开孔204为圆柱形开孔，以便于容纳所述第一工件100和第二工件101。

在制作模具200的步骤中，使所述第一开孔203的半径与所述第一工件100的半径相匹配，使所述第二开孔204的半径与所述第二工件101的半径相匹配，具体地，使所述第一开孔203的半径略大于所述第一工件100的半径，使所述第二开孔204的半径略大于所述第二工件101的半径。这样的好处在于，便于将所述第一工件100和第二工件101分别放入所述第一开孔203和第二开孔204，也便于焊接完成后将所述第一工件100和第二工件101从所述第一开孔203和第二开孔204中取出，此外，所述第一开孔203和第二开孔204较所述第一工件100和第二工件101具有一定余量，为后续在所述第一开孔203和第二开孔204中设置衬垫物提供空间。

在本实施例中，在制作模具200的步骤中，使所述第一开孔203和第二开孔204的中心相对齐。这样在将所述第一工件100和第二工件101分别放入所述第一开孔203和第二开孔204中后，所述第一工件100和第二工件101的中心相对齐。在刀具的制作工艺中，通常对刀头和刀柄之间的同心度具有较高要求，因此所述第一开孔203和第二开孔204的中心相对齐，能够使得第一工件100和第二工件101之间具有较高的同心度，进而所述第一工件100和第二工件101制作而成的刀头和刀柄之间较高的同心度。

在本实施例中，所述模具200的材料为金属。金属具有一定延展性，采用金属材料的模具200，能够在后续进行热等静压工艺时，适当地将压力传递给所述第一工件100和第二工件101，使第一工件100和第二工件101良好地焊接在一起。但是本发明对所述模具200不做限制，在其他实施例中，所述模具200的材料还可以为合金或其他材料。

参考图5、图6，执行步骤S3，将所述第一工件100和第二工件101分别放入所述第一开孔203和第二开孔204。

首先参考图5，在本实施例中，将所述第一工件100和第二工件101分别放入所述第一开孔203和第二开孔204之前，在所述第一开孔203和第二开孔204侧壁上设置衬垫物。

具体地，在本实施例中，在所述第一开孔203和第二开孔204侧壁上设置衬垫物的步骤包括：在所述第一开孔203和第二开孔204侧壁上涂布隔离 层205，使所述隔离层205覆盖所述第一开孔203和第二开孔204侧壁以及第一开孔203和第二开孔204侧壁的连接面(虚线圈中所示)。由于所述模具200的材料为金属，所述第一工件100和第二工件101的材料为钨合金，如果将所述第一工件100和第二工件101直接放入所述第一开孔203和第二开孔204中，在后续热等静压焊接的过程中，所述第一工件100、第二工件101和所述模具200容易发生粘连，难以分离。涂布所述隔离层205的作用在于，在热等静压焊接之后，便于将所述焊接结构和模具200分离。

在本实施例中，所述隔离层205的材料为氮化硼。经过多次试验证明，氮化硼材料作为隔离层205，能够较好隔离所述焊接结构和所述模具200，防止所述焊接结构和所述模具200之间发生粘连，但是本发明对所述隔离层205的材料不做限制，在其他实施例中，所述隔离层205还可以为能够防止隔离层205两侧的金属或合金相互扩散发生粘连的其他材料。

需要说明的是，在其他实施例中，在所述第一开孔203和第二开孔204侧壁上涂布隔离层205的步骤中，还可以使所述隔离层205仅覆盖所述第一开孔203和第二开孔204侧壁，本发明对此不作限制。

参考图6，在本实施例中，所述第一工件100具有第一焊接面103和与第一焊接面103相对的第一背面(未标出)，所述第二工件101具有第二焊接面104和与第一焊接面104相对的第二背面(未标出)，在将所述第一工件100和第二工件101分别放入所述第一开孔203和第二开孔204的步骤中，使所述第一焊接面103和第二焊接面104在所述第一开孔203和第二开孔204的连通处(未标出)相接触。

参考图7，执行步骤S4，在所述模具200外侧包裹包套300。具体地，在本实施例中，包裹包套300的步骤包括：将装有第一工件100和第二工件101的模具200放在一底板301上，在所述模具200侧壁包裹侧板303，在所述模具200顶部覆盖盖板302，将所述底板301、侧板303和盖板302焊接在一起，形成密封的包套300，所述包套300将所述模具200包裹。

可选地，所述焊接的方式可以为氩弧焊。

需要说明的是，在本实施例中，在焊接形成所述包套300之前或之后， 从所述包套300上引出脱气管304，所述脱气管304连通所述包套300内部。具体地，本实施例中，可以使所述脱气管304通过包套300侧壁留有的孔进入包套300内部。使一抽真空设备(未示出)与所述脱气管304相连，用于对所述包套300抽真空。

参考图8，执行步骤S5，对所述包套300进行热等静压工艺，使所述第一工件100和第二工件101焊接形成焊接结构。

在本实施例中，对所述包套300进行热等静压工艺，先将所述包套300抽真空，具体地，启动抽真空设备，使包套300内部的气体从脱气管304排出。

在本实施例中，在包套300内部的真空度到一定程度，例如真空度达2×10^-3Pa时，开始对包套300进行加热。所述加热过程，直至加热到一定温度，例如达300℃～400℃后，进行保温步骤，所述加热及保温过程中，持续抽真空，保持包套300内的真空度至少为2×10^-3Pa。

保温结束后，在继续保持包套300内部真空的状态下进行闭气，此时所述包套的真空度至少为2×10^-3Pa。之后，将闭气好的包套300放置在热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)炉中进行热等静压工艺。在本实施例中，闭气的方法为将脱气管304封闭，具体地，可以将脱气管304堵塞，或是将脱气管304掐断，并将断开的后残留在包套300外部的一端密封，使包套300内部形成一个密闭的真空环境。

在本实施例中，该热等静压工艺具体参数采用温度在750到900度的范围，热等静压炉内充氩气或氮气，保持包套300所在的环境压强120Mpa以上并在此温度和压强下保温4～6小时的条件下，所得钨合金的焊接结构的硬度、致密度、内部组织结构的均匀性更好，且废品率低，制造成本较低。但是本发明对热等静压工艺的温度、环境压强、保温时间等具体参数不做限制，可以根据所述第一工件100和第二工件101自由调整。

在热等静压工艺过程中，所述包套300对所述模具200形成极大的压力。热等静压工艺的过程中，所述第一工件100和第二工件101的位置被所述模具200固定，并且第一工件100和第二工件101四周被所述模具保护，使得 所述第一工件100和第二工件101不容易在高压下被挤压造成损伤，进而提高了第一工件100和第二工件101焊接形成的焊接结构的质量。

此外，在热等静压工艺过程中，所述第一工件100和第二工件101的位置被所述模具200固定，所述模具200的第一开孔203和第二开孔204的中心相对齐，所述第一工件100和第二工件101在压力下不容易发生错位，能够使得第一工件100和第二工件101之间具有较高的同心度，进而所述第一工件100和第二工件101制作而成的刀头和刀柄之间较高的同心度。

继续参考图8，执行步骤S6，去除所述包套300，取出所述焊接结构。

具体地，在本实施例中，待热等静压炉冷却后，将包套300取出，之后拆除包套300取出模具200。本步骤的拆除可以通过化学方法或机械方法实现。

取出模具200之后，可以通过敲击的方法将所述焊接结构和所述模具200分离。具体地，在本实施例中，如图8所示，由于所述第一工件100的尺寸小于第二工件101的尺寸，因此可以将所述模具200的悬空放置，使模具200的第二表面朝向地面，敲击所述焊接结构中原第一工件100的表面，所述焊接结构即可从所述模具200中脱落。

参考图9，示出了本发明热等静压焊接方法另一实施例的示意图。本实施例与上述实施例大致相同，与上述实施例的相同之处不再赘述，与上述实施例的不同之处在于：

在所述第一开孔203和第二开孔204侧壁上设置衬垫物的步骤包括：在所述第一开孔203和第二开孔204侧壁上设置隔离物206，使所述隔离物206仅覆盖述第一开孔203和第二开孔204的侧壁。

具体地，所述第一开孔203和第二开孔204为圆柱形开孔，所述隔离物206为分别覆盖于第一开孔203和第二开孔204侧壁上的环状隔离物，所述环状隔离物垂直所述圆柱形开口母线方向的截面为环状。所述隔离物206可以包括设置在所述第一开孔203侧壁上的第一部分206A和设置在所述第二开孔204侧壁上的第二部分206B，所述第一部分206A和第二部分206B可以分别放置于所述第一开孔203和第二开孔204中，使得放入所述隔离物206的过程更加方便，但是本发明对此不作限制。

需要说明的是，在本实施例中，所述隔离物206的材料为陶瓷，所述隔离物206作为衬垫物的好处在于，对所述模具200和焊接结构之间的隔离性能更好，并且能够起到支撑作用，在热等静压工艺之后，所述焊接结构不容易受所述模具200形变的影响，使所述焊接结构更容易取出。

在热等静压工艺之后，如果所述隔离物206的形状未受影响，可以将所述隔离物206用于下一次热等静压焊接；如果所述陶瓷隔离物206发生损伤，可以将所述隔离物206敲碎，使得所述模具200和焊接结构之间的空间变大，使所述焊接结构更容易取出。陶瓷的隔离性能较好，但是本发明对所述隔离物206的材料不做限制，在其他实施例中，所述隔离物206的材料还可以为其他有利于防止金属之间相互扩散的材料。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。