新 SEMI 標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)批準(zhǔn)用于不銹鋼焊接應(yīng)用;

1、新SEMI標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)批準(zhǔn)用于不銹鋼焊接應(yīng)用；基于整個(gè)行業(yè)共識(shí)的焊接最佳做法SunnivaCollins,Ph.D.,世偉洛克公司KevinNguyen,SEMISEMI國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目（由SEMI提供的主要服務(wù)）為制訂在時(shí)間上及技術(shù)上都很精確的規(guī)格以及對(duì)行業(yè)具有重要意義的其它標(biāo)準(zhǔn)提供了框架。在過(guò)去的數(shù)年中，對(duì)于用于氣體和液體分配元件和系統(tǒng)的不銹鋼和其它耐腐蝕合金材料，與其成分、表面精度和質(zhì)量、耐腐蝕性和焊接方法有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的更改。在以下標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都經(jīng)過(guò)很重大的更改，或者制訂了新標(biāo)準(zhǔn)以代替舊標(biāo)準(zhǔn)：SEMIF20-0704標(biāo)準(zhǔn)。316L不銹鋼棒材、鍛件、擠壓型材、鋼板以及管材的規(guī)格，適用于

2、在一般性用途、高純度和超高純度半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用中使用的元件。與冶金潔凈度要求和316L成分有關(guān)。SEMIF19-0304標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)不銹鋼元件與介質(zhì)接觸表面的表面狀況的規(guī)格。涵蓋了表面質(zhì)量及表面質(zhì)量的測(cè)試，其中包括了表面的形態(tài)（物理）和化學(xué)質(zhì)量。SEMIF77-0703標(biāo)準(zhǔn)。用于腐蝕性氣體系統(tǒng)的合金表面電化學(xué)臨界點(diǎn)蝕溫度測(cè)試的測(cè)試方法。提供了關(guān)于與介質(zhì)接觸表面相關(guān)耐點(diǎn)蝕性的全新測(cè)試方法。SEMIF78-0304標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用中液體分配系統(tǒng)的鎢級(jí)電弧焊接（GTA）方法。提供了不銹鋼和其它耐腐蝕金屬及合金的鎢級(jí)電弧焊接（GTA）工序。SEMIF81-1103標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用中液體分配系統(tǒng)的鎢

3、級(jí)電弧焊接（GTA）的目視檢查和驗(yàn)收規(guī)格。提供了不銹鋼和其它耐腐蝕金屬及合金的鎢級(jí)電弧焊接（GTA）的目視檢查和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。本文將著重介紹以上標(biāo)準(zhǔn)中的三個(gè)；包括焊接的最佳方法及測(cè)試程序（SEMIF78和F81）；以及SEMIF20,因?yàn)槠浒藢?shí)現(xiàn)成功焊接所需的有關(guān)材料成份要求的基本信息。SEMIF78和F81代替SEMIF3,后者的起草比較倉(cāng)促，僅包含有焊接最佳方法和測(cè)試方面的最簡(jiǎn)略說(shuō)明和指導(dǎo)原則。之前，有不同的焊接方法出現(xiàn)在不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和公司標(biāo)準(zhǔn)中。在同一家公司內(nèi)發(fā)現(xiàn)有不同的焊接標(biāo)準(zhǔn)并不少見(jiàn)，因?yàn)椴煌墓S會(huì)規(guī)定各自的做法和標(biāo)準(zhǔn)。即使是在SEMI標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，焊接工序也出現(xiàn)在了一個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)

4、或文件中。SEMIF78和F81將所有焊接及測(cè)試工序整合在了一起，從而能適用于多種用途，其中包括了在戶外實(shí)驗(yàn)室、無(wú)塵室或元件生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。從事半導(dǎo)體行業(yè)焊接的任何人只需要參考這兩份文件就可以進(jìn)行操作，不管他們是制造元件或組件，還是要在設(shè)備或設(shè)備連接上進(jìn)行相關(guān)操作。SEMIF78和F81是長(zhǎng)期協(xié)同工作的成果，在此過(guò)程中，專門(mén)用一段時(shí)間比較和調(diào)查了來(lái)自眾多公司的焊接工序及測(cè)試文件。這些書(shū)面程序中的精華部分在經(jīng)過(guò)GTA焊接任務(wù)組（WeldingTaskForce）討論和評(píng)估后，成為了SEMI標(biāo)準(zhǔn)。SEMIF78和F81的制訂使這一行業(yè)的操作規(guī)范更加清楚明確。雖然所有SEMI標(biāo)準(zhǔn)都是由相關(guān)組織自愿

5、發(fā)起制訂的，但這些焊接方法代表了整個(gè)行業(yè)范圍內(nèi)對(duì)確定合格焊接特性以及實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、最佳焊接所必需工序的共識(shí)，從而能保持純度并達(dá)到足夠的焊接完整性和強(qiáng)度。修訂后的材料標(biāo)準(zhǔn)已通過(guò)審批的F20修訂本規(guī)定了冶金潔凈度要求和316L不銹鋼的材料成份，適用于一般用途元件、高純度以及超高純度化學(xué)（氣體或液體）分配系統(tǒng)的生產(chǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)用途，規(guī)定了材料的三個(gè)等級(jí)。一般用途等級(jí)材料擁有符合ASTMA269和ASTMA632標(biāo)準(zhǔn)的成份，含硫量除外，最大含硫量要限制到0.012%。對(duì)于高純度和超高純度等級(jí)的其它成份要求列在表1中。SEMIF20包含有兩個(gè)重要的附錄，其中闡述了微量及殘余元素（即硫和銅）對(duì)可焊性的固有影響

6、。表1高純度成份要求316L元素范圍一重量%碳最大0.030硫最大0.010錳最大1.5銅最大0.302鈮最大0.05鋁最大0.01鈣最大0.02鈦?zhàn)畲?.02硒最大0.02表1提供了對(duì)高純度和超高純度等級(jí)316L不銹鋼的成份要求。含硫量對(duì)焊接的影響AISI型316L奧氏體不銹鋼是半導(dǎo)體制造行業(yè)供氣系統(tǒng)元件的最佳材料。然而，影響316L生產(chǎn)和應(yīng)用的數(shù)項(xiàng)特性會(huì)隨含硫量的不同而有顯著變化。ASTM等級(jí)的AISI316L可允許含硫量范圍最大達(dá)到0.30%。SEMIF20可允許一般用途等級(jí)最大含硫量達(dá)到0.012%，高純度和超高純度等級(jí)最大達(dá)到0.010%。圖1圖2HighSulfur圖3硫在奧氏體不

7、銹鋼中具有非常低的可溶性。在這些合金中，它會(huì)作為硫化錳的離散夾雜物存在，對(duì)鉻及其它微量元素有一定的可溶性。這些夾雜物會(huì)隨含硫量的增加而在數(shù)量和尺寸上有所增長(zhǎng)，從而形成凹陷和其它缺陷，導(dǎo)致耐腐蝕性下降。另一方面，夾雜物也會(huì)提高不銹鋼的機(jī)械加工性。專門(mén)用于機(jī)械加工的合成物，其最大含硫量接近0.030%，而含硫量非常低的不銹鋼則需要較低的進(jìn)刀量和速度，在加工過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致刀具使用壽命下降。硫還會(huì)嚴(yán)重影響不銹鋼的焊接。硫從極低含量到最大可允許含量上的變化能將焊縫滲入程度大約增加為相似焊接參數(shù)的一個(gè)兩向因數(shù)。一旦硫降至約0.005%以下，在焊池動(dòng)態(tài)特性上就會(huì)出現(xiàn)有充分文件證明的變化，稱為馬朗戈尼效應(yīng)（Ma

8、rangonieffect），對(duì)流氣流向外發(fā)散，從而產(chǎn)生更寬和更淺的焊池（圖1）。在這些低含硫量水平下,焊透焊接所需的供熱會(huì)增加。相反，當(dāng)含硫量顯著高于0.005%時(shí)，對(duì)流氣流會(huì)從電弧向下流動(dòng)，從而產(chǎn)生深度滲透（圖2）。此外，焊接兩件含硫量截然不同的不銹鋼時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。焊池會(huì)變得不對(duì)稱，偏向含硫量低的一側(cè)。焊根可能會(huì)偏離接頭處，如圖3中所示。通過(guò)將含硫量匹配在0.010百分點(diǎn)范圍內(nèi)，可以將該效應(yīng)減至最少。含硫量上的較大差異需要對(duì)焊接設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭根部的焊透。含銅量對(duì)焊接的影響銅是AISI316中的殘余或未規(guī)定元素，如果未加規(guī)定，根據(jù)航天材料規(guī)格AMS2248E，可允許的最大含

9、量為0.50%。SEMIF20將含銅量限制到0.30%，這是因?yàn)榭珊感陨系挠绊?。銅不是316L的有意添加物，但會(huì)因所使用爐內(nèi)填料的化合作用而出現(xiàn)，其主要是帶有基本及母合金添加物的廢料。含銅量只能通過(guò)稀釋，在熔料中減少。隨著時(shí)間的流逝，當(dāng)有更多的廢料進(jìn)行循環(huán)使用時(shí)，殘余的含銅量很有可能會(huì)增加。銅是奧氏體形態(tài)穩(wěn)定劑，現(xiàn)已表明，其可提高在氯化物溶液中的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性。一些最終用戶會(huì)限制含銅量，因?yàn)殂~是焊接污染或腐蝕的可能來(lái)源。在焊接中，銅是表面活性元素（如硫氧和硒），能對(duì)焊縫曲流產(chǎn)生重大影響。它會(huì)揮發(fā)并再沉積在焊縫的下游，從而提供了一個(gè)在某些條件下會(huì)產(chǎn)生腐蝕的部位。研究表明，含銅量的增加與焊縫曲流

10、、熔渣與褪色之間有相互關(guān)聯(lián)；此外，將氫氣加入氬保護(hù)氣體也會(huì)對(duì)可焊性產(chǎn)生不利影響。以下在含銅量方面的研究成果提出了對(duì)SEMIF20的修訂：存在著銅/硫相互作用。銅對(duì)焊接的影響在含硫量低于0.010%時(shí)更為顯著。焊接后的氧化會(huì)在氬氣中含0.31%的銅、0.010%的硫時(shí)發(fā)生，但在氬氣中含0.30%的銅、0.011%的硫時(shí)，合格焊接還是可能實(shí)現(xiàn)的。在含有0.41%和0.47%銅的316L熱管上，會(huì)發(fā)現(xiàn)有表面不合格的焊接，其焊縫曲流和銅會(huì)在HAZ再沉積。含有0.30%以上銅的熱管可以在氬氣中成功進(jìn)行焊接，但可能會(huì)在氬/氫氣中顯示出焊縫曲流以及電極侵襲。當(dāng)保護(hù)氣體氬氣/氫氣中的含硫量超過(guò)0.30%時(shí)，電

11、極會(huì)遭受嚴(yán)重破壞。焊接工序的新標(biāo)準(zhǔn)在其首次會(huì)議上，GTA焊接任務(wù)組決定不修訂SEMIF3（“焊接半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用不銹鋼管材的指導(dǎo)原則”），而是用兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)取代它，其中一個(gè)確定焊接方法，而另一個(gè)則確定焊接目視檢查的規(guī)格。新標(biāo)準(zhǔn)將著重針對(duì)兩類截然不同的受眾：（1）焊接工和焊接操作人員；以及（2）質(zhì)量保證/質(zhì)量控制檢查員。任務(wù)組認(rèn)識(shí)到，這兩種受眾群體必須能夠進(jìn)行有效的相互溝通。各方都必須了解另一方的期望并擁有共同的語(yǔ)言。因此，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是按同一種風(fēng)格編寫(xiě)和展開(kāi)的，其中有相互關(guān)聯(lián)的部分，內(nèi)容涉及目的、范圍、限制和術(shù)語(yǔ)。SEMIF81特別提及SEMIF78作為評(píng)估所有焊接的基線：“焊接應(yīng)依照SEMIF78

12、中所述的程序和要求進(jìn)行。”此外，SEMIF78和F81增加了更多提供給焊接工和焊接檢查員的信息及指導(dǎo)。SEMIF3僅有約3頁(yè)的篇幅，而兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)合計(jì)則共有約27頁(yè)的篇幅。SEMIF3是“指南”，根據(jù)SEMI的說(shuō)法，是“選擇方案或帶有選擇方案的指示，根據(jù)機(jī)會(huì)而定”，而SEMIF78和F81則具有更大的權(quán)威性SEMIF78是“方法”，“確定的工序”，而SEMIF81則是“規(guī)格”，其“規(guī)定了對(duì)產(chǎn)品或服務(wù)的要求”。換句話說(shuō)，新標(biāo)準(zhǔn)不是選擇方案，而是具體規(guī)定的方法。目的、范圍、限制、術(shù)語(yǔ)在兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)：SEMIF78和F81中，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都將其目的闡述為與用于半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用中流體（液體或氣體）分配系統(tǒng)的不銹

13、鋼和其它耐腐蝕金屬及合金（CRAs）的焊接相關(guān)。范圍在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中也有相似的限定。范圍涉及到流體發(fā)配系統(tǒng)中不銹鋼及其它CRAs的GTA乙炔對(duì)焊，其中包括卡套管、公稱管、接頭、組件以及容納或分配流體的元件。安全和保健程序不是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，盡管SEMIF78確實(shí)包含有一個(gè)附錄，其中講述了不銹鋼、焊接煙氣以及焊接工和焊接操作人員應(yīng)注意的潛在危險(xiǎn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涉及到了奧氏體和超奧氏體等級(jí)的不銹鋼或是耐腐蝕金屬及合金，以及固體溶液等級(jí)的鎳或鈦合金。焊接應(yīng)用被限制在以下范圍：GTA環(huán)形乙炔對(duì)焊要在直徑6inch以下的元件上進(jìn)行；自動(dòng)化、機(jī)械化或機(jī)器GTA焊接工藝，以及在沒(méi)有填料和助焊劑的情況下進(jìn)行的焊接

14、。SEMIF78和F81參考了數(shù)個(gè)外部文件，這些文件可充當(dāng)許多規(guī)定方法和工序的出發(fā)點(diǎn)。特別值得注意的是來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）、美國(guó)工程師協(xié)會(huì)（ASME）的文件，尤其是生物工藝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)（BPE），以及美國(guó)焊接協(xié)會(huì)（AWS）。最終，SEMIF78和F81規(guī)定了在焊接工、焊接操作人員和檢查員間使用的63個(gè)術(shù)語(yǔ)。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)，如在ANSI/AWSA3.0和ASMEBPE中提到的那些術(shù)語(yǔ)，而且也規(guī)定了那些在現(xiàn)場(chǎng)常用的非標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)相互參照，以清楚闡明。例如，“暈圈”、“暗淡”和“回火色/顏色”每個(gè)詞都規(guī)定為“因焊接工序而產(chǎn)生的褪色”的非標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)?！巴噬笔菍?duì)相對(duì)于基

15、礎(chǔ)金屬色產(chǎn)生的任何顏色變化的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)：“它通常與發(fā)生在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)上的氧化作用有關(guān)，氧化現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在焊接接頭的內(nèi)外側(cè)，這是焊接時(shí)加熱金屬的結(jié)果?！备鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)的說(shuō)法，“顏色可能會(huì)從淺藍(lán)灰色變?yōu)樯钏{(lán)色或是從淺黃色變?yōu)楹谏财ね繉印！盨EMIF78焊接要求和工序SEMIF78描述了所有器械、設(shè)備、以及吹掃氣體要求，其中包括與夾具、焊接頭和電極有關(guān)的那些要求按照標(biāo)準(zhǔn)，所有無(wú)縫奧氏體不銹鋼管材都要符合SEMIF20標(biāo)準(zhǔn)或客戶要求的規(guī)格。SEMIF78需要一個(gè)準(zhǔn)備試樣或制作測(cè)試樣本的過(guò)程。在對(duì)具有新尺寸或壁厚或是含有新合金的材料進(jìn)行焊接之前，應(yīng)制作一個(gè)原始的標(biāo)準(zhǔn)焊接樣本，并在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切片和分析。一旦

16、發(fā)現(xiàn)其是合格的，所有基本變量都應(yīng)在工序合格記錄中備案。樣本現(xiàn)在成為了標(biāo)準(zhǔn)，可用以評(píng)判相同尺寸、壁厚及合金的其它焊接。任何與樣本具有顯著偏差都被認(rèn)為此次焊接不合格，要重焊。試樣應(yīng)在所有班次的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)制作，只要操作人員發(fā)現(xiàn)有差異，或是出現(xiàn)以下任何情況時(shí)：焊接參數(shù)上的變化。材料上的變化（熔煉爐號(hào)）。卡套管尺寸或壁厚上的變化。設(shè)備上的變化，如焊接頭或焊接頭伸長(zhǎng)件。外界溫度的變化，/-20F（/-11C）。電源的變化或是加長(zhǎng)或縮短延長(zhǎng)線。內(nèi)徑或外徑吹掃氣體上的任何顯著變化（來(lái)源或流量）。SEMIF78詳細(xì)闡述了接頭準(zhǔn)備、卡套管清潔以及吹洗的工序（其中包括根據(jù)卡套管尺寸和壁厚而建議的吹洗設(shè)置）。并為無(wú)

17、塵室焊接和現(xiàn)場(chǎng)安裝擬定了特別的協(xié)議。同時(shí)，還闡述了焊接后的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和程序。此類程序要由焊接工或焊接操作人員在所有焊接上執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)要求每天填寫(xiě)包含焊接結(jié)果的日志。圖4提供了該流程的總結(jié)性概覽，流程應(yīng)得到遵守以確保焊接質(zhì)量穩(wěn)定、合格。SEMIF81新要求、檢查工具及方法圖5圖6SEMIF81中有一個(gè)要點(diǎn)是關(guān)于目視檢查的工具及方法的。在一種放大倍率下認(rèn)為是合格的焊接可能在更高的放大倍率下會(huì)顯示為不合格。可接受的工具、放大倍率以及照明應(yīng)由供應(yīng)商和買方規(guī)定并取得一致意見(jiàn)。標(biāo)準(zhǔn)提供了以下樣例：工具：觀察管、剛性管道鏡、油標(biāo)卡尺、V形擋塊、千分表和比較儀。放大倍率：放大鏡、光學(xué)顯微鏡（2倍到40倍）。照明：

18、手電筒、明亮的熒光燈光、自然（外界）光、白紙（用于背景照明）。SEMIF81-1103提供了評(píng)估焊接的專門(mén)標(biāo)準(zhǔn)。所有焊接都應(yīng)顯示圍繞整個(gè)內(nèi)表面的完全滲透，并有統(tǒng)一的滲透和焊縫寬度。在放大倍率下，應(yīng)沒(méi)有可見(jiàn)的表面裂紋、氣孔和夾雜物。報(bào)廢品的樣例應(yīng)包括下列缺陷：在焊接上任何點(diǎn)的最小壁厚均低于母材的壁厚；咬邊和中心線收縮（圖5和6）；內(nèi)徑凹度（圖7）；在linch.（25mm）以上的管材上，外徑凹度超過(guò)標(biāo)稱管壁厚（T）的10%。在linch.（25mm）以下管材上的外徑凹度。外徑凸度超過(guò)標(biāo)稱壁厚的10%。內(nèi)徑凸度超過(guò)標(biāo)稱壁厚的10%。最小內(nèi)徑焊縫寬度不是標(biāo)稱壁厚T的1.0倍。最大內(nèi)徑焊縫寬度應(yīng)是標(biāo)稱壁厚的2.5倍。在任何單個(gè)焊接中，最大內(nèi)徑焊縫寬度不應(yīng)為最小焊縫寬度的1.25倍。內(nèi)徑和外徑焊縫曲流超過(guò)標(biāo)稱壁厚的35%。在不帶放大倍率的情況