一种靶材组件的无尾孔焊接方法与流程

本发明属于靶材焊接技术领域，具体涉及一种靶材组件的无尾孔焊接方法。

背景技术：

靶材组件是由符合溅射性能的靶盘、用于固定的背板组成，靶材负责溅射用的主材，背板是作为安装用的辅材，在现有技术中有的溅射靶材为一体成型，制作时需要一块较大原材料制成，原材料的成本极其高。因此大部分都是选择安装用的负载为其它成本低的铝材料与溅射靶盘焊接成为一体结构。

搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。利用搅拌摩擦焊接靶材也是近年来常用的选择。但是搅拌摩擦焊在退刀时容易流出尾孔，为了消除尾孔现有技术大部分采用增加延长板进行二次焊接，不仅影响焊缝外观质量还导致工序复杂影响加工效率。

技术实现要素：

针对以上存在的技术问题，本发明提供一种靶材组件的无尾孔且能连续的搅拌摩擦焊接方法。

本发明的技术方案为：一种靶材组件的无尾孔焊接方法，括以下步骤：

s1：将靶材圆盘和辅材圆环的待焊接表面进行清理，然后分别完成装夹并使得待焊接面重合，并形成含有环形待焊缝的靶材组件；

s2：确定环形待焊缝上的启焊点，预设焊接参数，搅拌头以一定初始转速和压入速度沿环形待焊缝的径向方向压入，直至搅拌针插入到靶材圆盘和辅材圆环之间，当搅拌针插入预设深度时轴肩与靶材圆盘和辅材圆环侧面相接触；

s3：调整搅拌头的旋转速度，轴肩和搅拌针位置保持不变，驱动靶材圆盘和辅材圆环同步围绕中轴线匀速旋转，此时搅拌针与环形待焊缝形成相对运动进行搅拌摩擦焊接，当靶材圆盘和辅材圆环旋转360度时，搅拌针与启焊点再次重合，完成初步焊接；

s4：同步调整靶材圆盘和辅材圆环同步旋转速度，以起焊点为中心呈一定角度往复旋转，同时依次向外回抽搅拌针直至完全抽没，搅拌针形成折线形轨迹，因此启焊点周围的塑性金属逐步注入因搅拌针退出留出的尾孔，得到焊接完成的靶材组件；

s5：对焊接完成的靶材组件表面进行表面抛光处理，即得到成品靶材组件。

进一步地，该方法使用的装置包括立式工作台、搅拌头、驱动装置和控制装置，

立式工作台设有分别用于夹持靶材圆盘、辅材圆环的第一夹卡盘、第二夹卡盘，第一夹卡盘和第二夹卡盘上下相对且位于同一中轴线上，

搅拌头包括轴肩和设在轴肩内可自由抽动的搅拌针；

驱动装置包括用于驱动第一夹卡盘、第二夹卡盘进行旋转的第一正反转减速电机、第二正反转减速电机，以及用于驱动第二夹卡盘升降以调节与第一夹卡盘之间距离的升降机构，还包括用于驱动搅拌头旋转、进退、平移、升降的带有回抽式电主轴的摩擦焊机头；

控制装置用于设置驱动装置进行旋转、平移或升降及焊接参数的调节。

进一步地，s2中预设焊接参数包括搅拌头的旋转速度和压入速度、搅拌针的回抽速度、靶材圆盘和辅材圆环的旋转速度和往复旋转角度。

进一步地，s2中搅拌头的初始转速为850-950r/min，压入速度分别为7-9mm/min。搅拌头以较低初始转速压入可防止搅拌针断裂。

进一步地，s3中搅拌头的旋转速度为1250-1400r/min，靶材圆盘和辅材圆环的旋转速度为100-110mm/min。在压入到靶材圆盘和辅材圆环之间后，提高搅拌头的旋转速度，利于快速将环形待焊缝两边的金属层加热成为塑性金属从而利于焊接，与靶材圆盘和辅材圆环的旋转速度形成配合完成首次焊接，以提高焊缝质量和速率。

进一步地，s4中靶材圆盘和辅材圆环调整后的旋转速度为125-135mm/min，靶材圆盘和辅材圆环的往复旋转的角度为15-30度，搅拌针的回抽速率为3-5mm/min。在进行收尾焊接时，将靶材圆盘和辅材圆环的转速调整略高于首次焊接的转速，可以提高摩擦搅拌时的塑性金属的流动性，用于逐层弥补搅拌针回抽形成的尾孔。靶材圆盘和辅材圆环的往复旋转的角度如果过小则搅拌针焊接行程短，容易造成局部塑性金属堆积进而影响焊缝外观质量，而复旋转的角度如果过大则搅拌针焊接行程长，重复焊接段过多，离启焊点留下的尾孔距离远，塑性金属易冷却流动性差，不能很好弥补搅拌针回抽形成的尾孔，焊影响焊缝外观质量。搅拌针的回抽速率同理，如果回抽速率过小则因为导致重复搅拌过多，造成局部塑性金属堆积影响焊缝外观质量，而回抽速率过大则会导致周围塑性金属不足以弥补尾孔，也会影响焊缝外观质量。

进一步地，升降机构为液压自动升降柱，液压自动升降柱与控制装置电性连接，安装在立式工作台上端，第二正反转减速电机和第二夹卡盘依次连接在液压自动升降柱的下端面。

进一步地，液压自动升降柱在焊接过程中为靶材圆盘和辅材圆环施加2-4mpa的外压力。压力过大则会导致靶材变形，压力过小则会导致焊接时出现松动导致焊缝外观不良。

本发明的有益效果为：采用本发明的装置以及焊接方法能够消除靶材组件外观尾孔现象，相较于传统焊接方法需要进行退刀，利用增加延长板消除尾孔的方式，本发明的焊接方法采用可回抽的搅拌头在对环形焊缝进行一圈焊接完毕后，通过靶材组件的往复旋转以及搅拌针回抽的配合，形成折线折线形焊接轨迹，利用往复焊接将搅拌针抽出留下的尾孔通过周围可流动的塑性金属进行弥补，从而达到消除尾孔的目的。本发明不需要中途退刀增加延长板，因此可一步成型进行连续焊接消除尾孔，提高环形靶材组件环形焊缝的外观质量和焊接效率。

附图说明

图1是本发明的方法使用装置的整体结构示意图；

图2是本发明靶材圆盘和辅材圆环扣合的主视图；

图3是本发明靶材圆盘和辅材圆环扣合的附视图；

图4是本发明靶材圆盘和辅材圆环扣合的纵剖图；

图5是本发明的搅拌头的结构示意图；

图6是本发明收尾焊接时的工作原理示意图；

图7是图6中在a点时焊接面与搅拌针的位置关系示意图；

图8是图6中在b点时焊接面与搅拌针的位置关系示意图；

图9是图6中在c点时焊接面与搅拌针的位置关系示意图；

图10是图6中在d点时焊接面与搅拌针的位置关系示意图；

图11是传统收尾焊接时的工作原理示意图。

其中，1-立式工作台、2-搅拌头、3-驱动装置、4-控制装置、5-靶材圆盘、6-辅材圆环、7-第一夹卡盘、8-第二夹卡盘、9-轴肩、10-搅拌针、11-第一正反转减速电机、12-第二正反转减速电机、13-升降机构、14-摩擦焊机头、15-环形待焊缝、16-焊接面、17-折线形轨迹、18-传统搅拌头、19-延长板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本实施例提供了一种靶材组件的无尾孔焊接方法，其中，靶材组件包括5nai-0.5％cu材质的靶材圆盘5和a6061t6材质的辅材圆环6。如图1所示，该方法使用的装置包括立式工作台1、搅拌头2、驱动装置3和控制装置4，立式工作台1设有分别用于夹持靶材圆盘5、辅材圆环6的第一夹卡盘7、第二夹卡盘8，第一夹卡盘7和第二夹卡盘8上下相对且位于同一中轴线上，如图5所示，搅拌头2包括轴肩9和设在轴肩9内可自由抽动的搅拌针10；驱动装置3包括用于驱动第一夹卡盘7、第二夹卡盘8进行旋转的第一正反转减速电机11、第二正反转减速电机12，以及用于驱动第二夹卡盘8升降以调节与第一夹卡盘7之间距离的升降机构13，还包括用于驱动搅拌头2旋转、进退、平移、升降的带有回抽式电主轴的摩擦焊机头14和支撑摩擦焊机头14的支座；控制装置4用于设置驱动装置3进行旋转、平移或升降及焊接参数的调节。

基于上述装置对上述靶材组件进行无尾孔搅拌摩擦焊接的方法，包括以下步骤：

s1：将靶材圆盘5和辅材圆环6的待焊接表面进行清理，清理可采用传统的化学或物理清理法，用于去除表面污物。参考图1的装置进行装夹，首先将通过第二夹卡盘8将辅材圆环6固定在立式工作台1的下端，然后通过第一夹卡盘7将靶材圆盘5固定在立式工作台1的上端，并将辅材圆环6和靶材圆盘5的中轴线调整重合，控制装置4通过程序控制升降机构13带动第一夹卡盘7和靶材圆盘5下移，确保辅材圆环6和靶材圆盘5的待焊接面重合，并形成含有环形待焊缝15的靶材组件，由靶材圆盘5和辅材圆环6形成的靶材组件的主视图、俯视图以及纵剖图可参考图2-4；为了使得辅材圆环6和靶材圆盘5结合更加紧密，该升降机构13可选择液压自动升降柱，液压自动升降柱与控制装置4电性连接，并安装在立式工作台1上端，第二正反转减速电机12和第二夹卡盘8依次连接在液压自动升降柱的下端面。液压自动升降柱在焊接过程中为靶材圆盘5和辅材圆环6施加2-4mpa的外压力。压力过大则会导致靶材变形，压力过小则会导致焊接时出现松动导致焊缝外观不良。

s2：确定环形待焊缝15上的启焊点，预设包括包括搅拌头2的旋转速度和压入速度、搅拌针10的回抽速度、靶材圆盘5和辅材圆环6的旋转速度和往复旋转角度等焊接参数，摩擦焊机头14控制搅拌头2以900r/min的初始转速和8mm/min的压入速度沿环形待焊缝15的径向方向压入，直至搅拌针10插入到靶材圆盘5和辅材圆环6之间，当搅拌针10插入预设深度时轴肩9与靶材圆盘5和辅材圆环6侧面相接触；

s3：将搅拌头2的旋转速度调整为1300r/min，轴肩9和搅拌针10位置保持不变，通过第一正反转减速电机11、第二正反转减速电机12驱动靶材圆盘5和辅材圆环6同步围绕中轴线匀速旋转，靶材圆盘5和辅材圆环6的旋转速度为105mm/min。此时搅拌针10与环形待焊缝15形成相对运动进行搅拌摩擦焊接，当靶材圆盘5和辅材圆环6旋转360度时，搅拌针10与启焊点再次重合，完成初步焊接；

s4：完成初步焊接后，靶材圆盘5和辅材圆环6重合处形成焊接面16，以起焊点到焊接面16形成圆环的圆心连线为中心线，通过第一正反转减速电机11、第二正反转减速电机12同步调整靶材圆盘5和辅材圆环6同步旋转速度至130mm/min，围绕该中心线在26度之间往复旋转，同时依次向外回抽搅拌针10直至完全抽没，回抽速率为4mm/min。搅拌针10形成如图6所示的折线形轨迹17，折线形轨迹17是依次由a点起焊点、b点、c点最后再回到d点起焊点形成的，收尾焊接的分解原理图如图7-10所示。通过靶材组件的往复旋转以及搅拌针10回抽的配合，形成折线折线形焊接轨迹，利用往复焊接将搅拌针10抽出留下的尾孔通过周围可流动的塑性金属进行弥补，从而达到消除尾孔的目的。

s5：对焊接完成的靶材组件表面进行表面机械抛光处理，即得到成品靶材组件。

如图11所示，是传统焊接方法的示意图，在与本实施例s3一样完成初步焊接后退刀留下了尾孔，然后第二次焊接在尾孔附近沿切线方向连接延长板19，再次进刀，传统搅拌头18深入该尾孔中并沿着延长板19逐渐退出，最终将尾孔留在延长板19末端，切割去除延长板19，最终消除尾孔。与该传统的焊接方法相比，本发明的焊接方法不需要中途退刀增加延长板，因此可一步成型进行连续焊接消除尾孔，可提高环形靶材组件环形焊缝的外观质量和焊接效率。