1.本发明属于金属加工技术领域,尤其涉及金属焊接技术领域,具体为一种半导体用真空腔体焊接方法及焊接系统。
背景技术:
2.半导体生产制造过程中对生产环境及设备的精度要求极高,通常在真空腔体内制备。真空腔体,是一种保持内部为真空环境的压力容器,目前,真空腔体的制造材料主要有不锈钢、钛合金等。近年来随着半导体行业的快速发展,铝合金因其具有良好的抗腐蚀性、焊接性和加工性,成为了半导体真空腔体制造的主要材料。
3.现有技术方案中,真空腔体的拼焊制造主要有钨极氩弧焊(即tig焊接)和搅拌摩擦焊,钨极氩弧焊,厚板焊接过程中通常需要采用尺寸较大的坡口和多层、多道焊完成腔体的焊接。搅拌摩擦焊接技术,焊接厚板过程中对工装要求较高,需要内部支撑及外部收紧工装,并对顶锻压力面要有工装支撑,同时需要引弧、收弧工装,对工装及夹持装备要求较为严格。
4.现有技术中存在以下几方面不足:
5.1、采用tig焊厚板材时,板材加工坡口尺寸大,焊接层数、道数多,焊接速度慢,效率低;
6.2、采用tig焊接,热输入大,焊后接头软化严重,强度降低,腔体焊后变形大精度下降;
7.3、搅拌摩擦焊接对零件装配精度要求高;
8.4、搅拌摩擦焊后存在匙孔,需要对匙孔进行处理,降低效率;
9.5、搅拌摩擦焊在厚板焊接过程中需要大的顶锻压力,对工装的刚性及搅拌头夹持设备要求严格;
10.6、搅拌头轴肩的存在对焊缝两侧焊接材料的宽度要求严格,可焊接结构较少柔性较差;
11.7、现有技术自动化程度低,缺乏焊缝质量在线检测及实时监控功能,对焊接质量缺乏检验,焊后返修效率低。
技术实现要素:
12.本发明的目的在于提供一种半导体用真空腔体焊接方法及焊接系统,解决铝合金厚板tig焊接时,板材加工坡口尺寸大,焊接层数、道数多,焊接速度慢,效率低,焊后接头软化严重,强度降低,腔体焊后变形大精度下降,自动化程度低,无焊缝质量检测功能,返修效率低,同时可以解决搅拌摩擦焊对零件装配精度高的要求,焊后不需要对匙孔进行处理,对工装的刚性要求相对低,可焊接结构增加柔性变好。
13.为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
14.第一方面,本发明提供一种半导体用真空腔体焊接系统,包括:
15.真空腔体,所述真空腔体由铝合金型材腔和上、下两个盖板拼焊而成,所述铝合金型材腔的轴向具有两个相对的开口,且每个所述开口处搭接盖板,所述盖板与所述铝合金型材腔的接触面开设单边v形坡口;
16.变位工装,变位工装包括变位装置,所述变位装置可沿水平方向旋转,沿所述变位装置径向设置至少一组定位压紧组件,所述定位压紧组件包括至少一个压紧装置以及与压紧装置相对的至少一个定位块,所述真空腔体置于压紧装置与定位块之间;
17.焊接组件,所述焊接组件采用激光-电弧复合焊接,所述焊接组件被配置为焊接所述真空腔体;
18.信息采集反馈控制调节系统,所述信息采集反馈控制调节系统对信息进行收集处理反馈给变位装置及焊接组件,变位装置及焊接系统根据反馈信息,进行位置变换及焊接处理。
19.优选地,所述单边v形坡口的坡口角度为0
°
~50
°
。
20.优选地,所述盖板与所述铝合金型材腔之间的组对间隙为0~2mm。
21.优选地,所述盖板具有钝边,且钝边厚度为0~2mm。
22.根据本发明提供的半导体用真空腔体焊接系统,所述变位工装还包括:
23.凹槽底座,所述凹槽底座的上表面周向开设凹槽,沿所述凹槽底座的轴向开设螺纹孔,
24.拧紧螺栓,所述拧紧螺栓的两端均加工有螺纹,所述拧紧螺栓沿着螺纹孔的轴向旋入变位装置表面的螺孔中,
25.拧紧螺母,所述拧紧螺母螺纹连接在拧紧螺栓的顶部,沿所述盖板的轴向开设通孔,所述拧紧螺母被配置为预固定所述盖板。
26.根据本发明提供的半导体用真空腔体焊接系统,所述焊接组件包括:
27.焊接电源,所述焊接电源包括激光器和电焊机,所述激光器被配置为提供激光光源,所述电焊机被配置为提供电弧;
28.焊枪,所述焊枪通过电线缆与电焊机连接;
29.激光头,所述激光头通过光纤与激光器连接;
30.焊缝在线检测装置,所述焊缝在线检测装置被配置为实时检测焊缝的质量;
31.机器人,所述焊枪、激光头和焊缝在线检测装置通过连接块固定在机器人顶端并保持在同一平面内且在同一直线上。
32.根据本发明提供的半导体用真空腔体焊接系统,所述信息采集反馈控制调节系统包括信息采集模块、信息反馈模块、控制调节模块,各模块通过plc进行运行。
33.第二方面,本发明提供一种半导体用真空腔体焊接方法,包括以下步骤:
34.将所述铝合金型材腔置于变位装置上,并通过定位压紧组件锁定所述铝合金型材腔的位置;
35.将所述盖板搭接于所述铝合金型材腔,并对所述盖板与所述铝合金型材腔之间的相对位置进行锁定;
36.焊接组件采用激光-电弧复合焊接方式沿变位装置的旋转方向对所述盖板与所述铝合金型材腔进行焊接;
37.在第一道焊缝焊接完成后,通过采集反馈控制调节系统对第一道焊缝焊接已完成
信号信息进行收集,将信号反馈给变位装置及焊接组件,所述变位装置根据反馈信息对所述盖板与所述铝合金型材腔进行周向位置变换,焊接组件接到信号进行第二道焊缝的焊接,第二道焊缝焊接完成后重复上述操作,直至将所述盖板与所述铝合金型材腔之间的所有焊缝焊接完成形成真空腔体。
38.根据本发明提供的半导体用真空腔体焊接方法,焊接过程中激光束在前,焊枪在后,激光束与水平面垂直,焊枪与水平面呈60
°
~75
°
。
39.根据本发明提供的半导体用真空腔体焊接方法,焊接工艺参数为焊接电流100a~450a,焊接速度在0.6m~6m/min,离焦量-8~ 8mm,功率1.0kw~30kw,光丝间距2~6mm。
40.本发明的优点与效果是:
41.1、本发明使用激光-电弧复合焊接热源焊接厚板时可减小板材加工坡口尺寸或不开坡口,减少焊接层数、道数,提高焊接速度,提高效率;
42.2、本发明使用激光-电弧复合焊接热源能量更集中,热输入减小,焊接接头强度提升,减小软化程度,可减小变形,提高精度;
43.3、本发明使用激光-电弧复合焊接热源对装配精度要求优于搅拌摩擦焊;
44.4、本发明使用激光-电弧复合焊接热源无匙孔,不需要对匙孔进行修复。
45.5、本发明对工装刚性要求优于搅拌摩擦焊;
46.6、本发明可焊焊接结构优于搅拌摩擦焊,柔性好于搅拌摩擦焊。
47.7、本发明焊接系统具有自动化特点,可实现焊缝质量在线检测及实时监控功能,对焊后返修提供依据,提高返修效率。
附图说明
48.图1本发明实施例真空腔体结构示意图;
49.图2本发明实施例真空腔体示意图;
50.图3本发明实施例焊接结构示意图;
51.图4本发明实施例变位工装示意图;
52.图5本发明实施例凹槽底座细节示意图;
53.图6本发明实施例焊接示意图;
54.图7本发明实施例焊接、检测装置示意图;
55.图8本发明实施例真空腔体与工装配合示意图;
56.图中:
57.1、信息采集反馈控制调节系统,2、焊接电源,3、机器人,4、激光头,5、焊缝在线检测装置,6、真空腔体,60、上盖板,61、下盖板,62、铝合金型材腔;7、变位工装,70、拧紧螺栓,71、第一压紧装置,72、第二压紧装置,73、凹槽底座,731、凹槽,732、螺纹孔;74、控制单元,75、变位装置,76、第一定位块,77、第二定位块,78、拧紧螺母;8、焊枪。
具体实施方式
58.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能,下面结合附图1-8,对本发明做进一步详细的描述;
59.参见图1-图8,本发明实施例中的半导体用真空腔体焊接系统,包括真空腔体6、变
位工装7、焊接组件和信息采集反馈控制调节系统1;所述真空腔体6由铝合金型材腔62和上、下两个盖板60-61拼焊而成,所述铝合金型材腔62的轴向具有两个相对的开口,且每个所述开口处搭接盖板,所述盖板与所述铝合金型材腔62的接触面开设单边v形坡口;
60.变位工装7包括变位装置75,所述变位装置75可沿水平方向旋转,沿所述变位装置75径向设置至少一组定位压紧组件,所述定位压紧组件包括至少一个压紧装置71以及与压紧装置71相对的至少一个定位块,所述真空腔体6置于压紧装置71与定位块之间;
61.所述焊接组件采用激光-电弧复合焊接,所述焊接组件被配置为焊接所述真空腔体6;
62.所述信息采集反馈控制调节系统1对信息进行收集处理反馈给变位装置75及焊接组件,变位装置75及焊接系统根据反馈信息,进行位置变换及焊接处理。
63.本发明实施例中,真空腔体6装配在变位装置75上,位于压紧装置71与定位块之间,并通过驱动压紧装置71锁定所述真空腔体6的位置,变位装置75沿水平方向旋转,焊接组件采用激光-电弧复合焊接方式沿变位装置75的旋转方向对所述盖板与所述铝合金型材腔62之间的焊缝进行焊接;激光-电弧复合焊接热源焊接厚板时可减小板材加工坡口尺寸或不开坡口,减少焊接层数、道数,提高焊接速度,提高效率,焊接热源能量更集中,热输入减小,焊接接头强度提升,减小软化程度,可减小变形,提高精度;焊接系统具有自动化特点,可实现焊缝质量在线检测及实时监控功能,对焊后返修提供依据,提高返修效率,解决了所提出的技术问题。
64.在本发明实施例中,参见图1-2,具体地,所述真空腔体6包括铝合金型材腔62、上盖板60和下盖板61,为了便于盖板的定位以及盖板与铝合金型材腔62之间的装配,在所述铝合金型材腔62的上开口处和下开口处沿着铝合金型材腔62的轴向由外向内分别开设上、下两个抵接槽,所述抵接槽的深度与盖板的厚度相同,上盖板60和下盖板61分别插入上、下两个抵接槽中,上盖板60的上端面与铝合金型材腔62的上端面平齐,下盖板61的下端面与铝合金型材腔62的下端面平齐;
65.请参阅图3,优选地,为了减少焊接前对坡口的机械加工时间,设定单边v形坡口的坡口角度为0
°
~50
°
;单边v形坡口可以减少焊接前对坡口的机械加工时间,节约填充材料、减少焊接层数、道数,提高焊接速度、提升生产效率,降低成本;所述盖板与所述铝合金型材腔之间的组对间隙为0~2mm;所述盖板具有钝边,且钝边厚度为0~2mm,有益于提高焊接质量。
66.请参见图4-图5,在一些实施例中,所述变位工装还包括凹槽底座73,所述凹槽底座73的上表面周向开设凹槽731,凹槽731为焊缝预留槽,为焊缝预留空间位置,保证装配面的贴合,焊缝会产生余高,没有焊缝预留槽,会导致装配不平整,影响下一次装配焊接,同时还可以方便铝合金型材腔62的定位,在对铝合金型材腔62定位时,将铝合金型材腔62的底端插入凹槽731中,实现快速定位;铝合金型材腔62穿过拧紧螺栓70,装配到凹槽底座73上,用于支撑零件。
67.继续参见图4,在一些实施例中,为了实现铝合金型材腔62与上、下两个盖板60-61之间预固定,所述变位工装还包括拧紧螺栓70和拧紧螺母78,所述拧紧螺栓70的两端均加工有螺纹,所述拧紧螺栓70沿着螺纹孔732的轴向旋入变位装置75表面的螺孔中,所述拧紧螺母78螺纹连接在拧紧螺栓70的顶部,沿所述盖板的轴向开设通孔,所述拧紧螺母78被配
置为预固定所述盖板;
68.下述为铝合金型材腔62与上、下两个盖板60-61之间的预固定过程;
69.首先将凹槽底座73、拧紧螺栓70固定于变位装置75上,然后将铝合金型材腔62穿过拧紧螺栓70,最后将上盖板60通过拧紧螺栓70与铝合金型材腔62进行装配,通过拧紧螺栓78将上盖板60进行拧紧,下盖板61与上盖板60与固定方式不同的是,当上盖板60焊接完成后,上盖板60抵在凹槽底座73上,重复上述操作,实现铝合金型材腔62与上、下两个盖板60-61之间的预固定,防止在焊接过程中铝合金型材腔62与上、下两个盖板60-61之间出现相对的偏移,提高了焊接的精确度。
70.还有为了实现凹槽底座73与变位装置75之间的固定连接,沿所述凹槽底座73的轴向开设螺纹孔732,与此相应的,所述变位装置75的上端面至少一个螺孔,所述拧紧螺栓70与螺孔螺纹连接,将凹槽底座73置于变位装置75,使螺纹孔732与螺纹位置重合,拧紧螺栓70经过螺纹孔732旋拧入螺孔中,实现凹槽底座73与变位装置75之间的固定连接。
71.在本发明实施例中,请参见图4,示例性地,所述变位装置75的变位执行端设置两组定位压紧组件,其中一组定位压紧组件包括第一压紧装置71和第一定位块76;所述第一压紧装置71和第一定位块76沿着变位执行端径向相对设置,另一组定位压紧组件包括第二压紧装置72和第二定位块77,所述第二压紧装置72和第二定位块77沿着变位执行端径向相对设置,真空腔体6放置在压紧装置与定位块之间进行定位压紧;变位装置75为变位机,变位装置75还包括控制单元74,通过控制单元74对变位装置75进行控制、调节,改变变位装置75位置,用于发生驱动电机停止工作,机器停止运行,有利于生产安全。控制单元为plc控制模块,通过信号进行设备的控制及信息处理。压紧装置对铝合金型材腔62起到固定、压紧定位作用,需要说明的是,压紧装置为气动压紧装置,主要由气缸、压紧块、支撑块组成,气缸驱动压紧块固定待焊工件,支撑块对气缸进行支撑,使气缸具有一定的高度和承载气缸。
72.在一些实施例中,定位压紧组件包括至少一个压紧装置以及与压紧装置相对的至少一个定位块;示例性地,定位压紧组件包括一个压紧装置以及与压紧装置相对的两个定位块,一个压紧装置位于两个定位块之间夹角的中线上,真空腔体6放置在压紧装置与两个定位块之间进行定位压紧,防止真空腔体6在焊接的过程中位置发生偏移。
73.请参见图6和图7,在本发明实施例中,所述焊接组件包括焊接电源2、焊枪8、激光头4、焊缝在线检测装置5和机器人3,所述焊接电源2包括激光器和电焊机,所述激光器被配置为提供激光光源,所述电焊机被配置为提供电弧;所述焊枪8通过电线缆与电焊机连接;所述激光头4通过光纤与激光器连接;所述焊缝在线检测装置5被配置为实时检测焊缝的质量;所述焊枪8、激光头4和焊缝在线检测装置5通过连接块固定在机器人3顶端并保持在同一平面内且在同一直线上,机器人3用于焊枪8、激光头4、焊缝在线检测装置5的承载及位置的改变。
74.焊接过程中焊缝质量检测装置5通过信息采集反馈控制调节系统1记录焊缝成型质量情况。对焊缝焊接质量进行检测分析,及时发现焊接缺陷及不稳定性,通过信息采集反馈控制调节系统1进行记录,有利于焊后返修。具体地,所述信息采集反馈控制调节系统1包括信息采集模块、信息反馈模块、控制调节模块,各模块通过plc进行运行,信息为信号信息。
75.信息采集模块:具备信息采集的功能,主要用于焊接过程中信息的收集包括焊缝
在线检测装置5对焊缝质量检测信息的采集、焊缝焊接顺序信息的采集、焊接完成及焊接开始信息的采集,机器人3姿态信息的采集、激光器工作状态信息的采集、焊机工作状态信息的采集、激光头4工作状态信息的采集、变位机工作状态及位置信息的采集及焊接过程中设备运行情况信息的采集。
76.信息反馈模块:具有信息反馈功能,信息反馈模块通过信息采集模块收集到的信息,经过处理将信息反馈给各个设备,设备根据反馈信息实现自我功能,包括机器人3位置变换激光器运行、激光头运行、焊缝在线检测装置5的运行、焊机的运行、变位机的运行、急停装置的运行。
77.控制调节模块:具有控制和调节功能,用于对激光头4、焊枪8、变位装置、机器人3相对位置的控制调节、用于设备发生紧急状态时急停的控制、用于发出激光、焊枪起弧的控制调节。
78.下面对本发明提供的焊接方法进行描述,下文描述的焊接方法与上文描述的焊接系统可相互对应参照。
79.本发明实施例提供的半导体用真空腔体焊接方法,包括以下步骤:
80.s100、将所述铝合金型材腔62置于变位装置75上,并通过定位压紧组件锁定所述铝合金型材腔62的位置;
81.s200、将所述盖板搭接于所述铝合金型材腔,并对所述盖板与所述铝合金型材腔之间的相对位置进行锁定;
82.s300、焊接组件采用激光-电弧复合焊接方式沿变位装置75的旋转方向对所述盖板与所述铝合金型材腔62进行焊接;
83.s400、在第一道焊缝焊接完成后,通过采集反馈控制调节系统1对第一道焊缝焊接已完成信号信息进行收集,将信号反馈给变位装置及焊接组件,所述变位装置根据反馈信息对所述盖板与所述铝合金型材腔62进行周向位置变换,焊接组件接到信号进行第二道焊缝的焊接,第二道焊缝焊接完成后重复上述操作,直至将所述盖板与所述铝合金型材腔62之间的所有焊缝焊接完成形成真空腔体6。
84.本发明实施例中,s100、将所述铝合金型材腔62置于变位装置75上,并通过定位压紧组件锁定所述铝合金型材腔62的位置;具体地,将凹槽底座73、拧紧螺栓70固定于变位装置75上,将铝合金型材腔62穿过拧紧螺栓70通过第一定位块76、第二定位块77放在凹槽底座73上,通过第一压紧装置71、第二压紧装置72将铝合金型材腔62与第一定位块76、第二定位块77压紧并固定,实现铝合金型材腔62位置的锁定;
85.本发明实施例中,s200、将所述盖板搭接于所述铝合金型材腔,并对所述盖板与所述铝合金型材腔之间的相对位置进行锁定;具体地,将上盖板60通过拧紧螺栓70与铝合金型材腔62进行装配,通过拧紧螺栓78将上盖板进行拧紧;将铝合金型材腔62与上盖板60固定在一起,防止铝合金型材腔62与上盖板60在焊接过程中发生相对位置变化,提高了焊接的精度;
86.本发明实施例中,s300、焊接组件采用激光-电弧复合焊接方式沿变位装置75的旋转方向对所述盖板与所述铝合金型材腔62进行焊接;具体地,装配完成后通过焊接电源2、机器人3、激光头4、焊缝在线检测装置5组成的激光-电弧复合焊接系统对所述盖板与所述铝合金型材腔62进行焊接,焊接过程中激光束在前,焊枪在后焊枪与水平面呈60
°
~75
°
,焊
接工艺参数选用范围为:焊接电流100a~450a,焊接速度在0.6m~6m/min,离焦量-8~ 8mm,功率1.0kw~30kw,光丝间距2~6mm。
87.在一些具体的实施例中,焊接实施过程中具体参数为:激光功率4.0kw,电流160a,焊接速度0.9m/min,离焦量 4mm,光丝间距5mm;
88.在另一些具体的实施例中,焊接实施过程中具体参数为:激光功率3.0kw,电流160a,焊接速度0.6m/min,离焦量 4mm,光丝间距4mm;
89.需要说明的是,焊接实施过程中的参数匹配关系不是唯一的,满足焊接要求的参数匹配有多种。
90.本发明实施例中,s400、在第一道焊缝焊接完成后,通过采集反馈控制调节系统1对第一道焊缝焊接已完成信号信息进行收集,将信号反馈给变位装置及焊接组件,所述变位装置根据反馈信息对所述盖板与所述铝合金型材腔62进行周向位置变换,焊接组件接到信号进行第二道焊缝的焊接,第二道焊缝焊接完成后重复上述操作,直至将所述盖板与所述铝合金型材腔62之间的所有焊缝焊接完成形成真空腔体6。
91.具体地,开始焊接,第一道焊缝焊接完成后,通过采集反馈控制调节系统1,对焊缝焊接已完成信号信息进行收集,将信号反馈给变位装置75及焊接系统,根据反馈信息,机器人3离开工件到安全位置,变位装置75进行位置变换,位置变换完成后,通过信息采集,采集到位置变换完成信号,反馈给焊接系统,焊接系统接到信号进行第二道焊缝的焊接,焊接完成后继续根据反馈信息进行第三道焊缝的焊接,直至上盖板60所有焊缝焊接完成。变位装置75对真空腔体6的在焊接过程中起到位置变换作用,焊接组件起到焊接作用。
92.上盖板60完成焊接后,打开工装,取下零件,对工件进行翻转,将焊接完成后的零件通过拧紧螺栓70与凹槽底座73、第一定位块76、第二定位块77进行装配,通过第一压紧装置71、第二压紧装置72进行压紧固定,下盖板61通过拧紧螺栓70与铝合金型材腔62进行装配,通过拧紧螺母78与拧紧螺栓70进行配合压紧,装配完成后重复上盖板60焊接步骤,直至焊接完成。
93.以上所述仅为本发明的部分实施方式,不是全部的实施方式,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变化,均为本发明的权利要求所涵盖。