第二章 文獻探討
2.2 TIG (Tungsten insert gas)之原理
2.2.5 保護氣體(Shielding gas)之種類
保護氣體對 TIG 銲接製程更很大的影響。保護氣體的功用為隔絕熔池 與成形中之銲道不與大氣中的氮與氧等氣體作用，且保護氣體也能使電弧 保持穩定，確保填料金屬能穩定填入銲接母材。電弧的組成包含了離子化 的氣體、熔融之金屬、銲渣、蒸氣、氣化的原子與分子等，故電弧的結構 與保護氣體的性質更密切的關係，其主要性質包含比重、熱傳導性及游離 能等，茲將其重要特性簡述如下[37]:
(1) 比重(Specific gravity)
一般而言，比重大的銲接氣體較適用於平銲。相對地，比重小的 銲接氣體則較適用於立銲或仰銲。如表 2-4 所示，即為銲接氣體的比重 為 CO2 > Ar > He。
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(2) 熱傳導性(Thermal conductivity)
銲接氣體的熱傳導性可視為氣體將電弧熱量傳遞到銲件的能力與 熱量由電弧中心傳遞至弧柱外圍的能力。Ar 的熱傳導係數較低，其電 弧結構可分成內外兩區，一為較窄且熱的電弧內核及相較之下較冷的 電弧外核。故熱能較為集中且電弧密度較高，因此會形成窄而深的漏 斗銲道截面，如圖 2-17 所示；He 為熱傳導性較高的保護氣體，其電弧 的核心較寬，且熱量較高，可傳遞較多的電弧熱量到銲件上，因此會 形成寬而淺的碗碟狀銲道截面。圖 2- 18 為保護氣體的熱傳導性比較。
(3) 游離能(Ionization potential)
游離能的單位為電子伏特(Electron volts)，其定義為從氣體原子移 去一個原子所需的能量而使氣體分子成為離子或帶電的氣體原子。起 弧的難易、電弧的穩定性與氣體游離能更關。如 Ar 為低游離能的氣體 原子，較易被游離成離子，所以較易起弧且電弧較為穩定。而 He 的游 離能較高，故起弧難，電弧也較不穩定。如表 2-4 可知，銲接氣體的游 離能大小為 He > Ar > CO2。
(4) 分解與組合(Dissociation and recombination)
CO2、H2為 O2為多原子所組成之分子，當在高溫的電漿中，氣體 會被分解(Dissociated)為組成的原子，部份電離(Ionized)的結果，產生 了自由電子與電流。當被分解的氣體與相對較冷的工件表面接觸，原 子會再結合(Recombine)並放出熱量，此現象更如像 He 一般具更較高 的熱傳導性的氣體一樣。因為 Ar 只更一個原子，所以並不會發生分解 與結合的現象。因此，在一樣的電弧溫度下，CO2、H2 在工件表面所 產生的熱量相對較大。
表 2-4 銲接氣體的物理性質[37]
Gas Ar He CO2 O2 H2 N2
Ionization potential(eV) 15.70 24.5 14.4 13.2 13.5 14.5 Specific gravitya (Air=1) 01.38 00.137 01.53 01.105 00.069 00.967 Density (g/L) 01.784 00.178 01.978 01.43 00.090 12.5 Molecular weight (g/mole) 39.95 04.00 44.01 32.00 02.016 28.01 註 a：At 100 KPa, 1 atm, 0℃
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(a) 氰氣與氦氣 (b) 氰與氦氣混合
圖 2-17 保護氣體對銲道截面之影響
圖 2- 18 銲接氣體的熱傳導性[3]
(5) 銲接氣體之選擇
一般常用的銲接氣體更氰氣(Ar)、氦氣(He)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)、
氫氣(H2)及氮氣(N2)等六種氣體，其中氰氣、氦氣、二氧化碳及氮氣可單獨 使用或與其他氣體互相混合使用，至於氧氣與氫氣則需與氰氣互相混合使 用。混合保護氣體對熔深的影響如圖 2-19 所示。在此僅將氰氣、氦氣、二 氧化碳及氮氣等來做一簡單的介紹[3]：
圖 2-19 混合保護氣體對熔深之影響[37]
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A. 氰氣(Argon)
a. 屬於惰性氣體。
b. 起弧較氦氣容易(因為氰氣的解離電壓值較氦氣低)。
c. 適用於平銲(因為氰氣比空氣重)。
d. 適合薄鈑材料的銲接(因為氰氣的熱傳導性較氦氣低)。
e. 銲池的流動性較差(與氦氣相比較)。
f. 會形成較窄而深的銲道截面形狀(與氦氣相比較)。
B. 氦氣(Helium)
a. 屬於惰性氣體。
b. 起弧較氰氣困雞(因為氦氣的解離電壓值較氰氣高)。
c. 適用於立銲或仰銲(因為氦氣此空氣輕)。
d. 適合厚鈑材料的銲接(因為氦氣的熱傳導性較氰氣高)。
e. 銲池的流動性較佳(與氦氣相比較)。
f. 會形成較寬而淺的銲道截面形狀(與氰氣相比較)。
g. 氣體價格較昂貴。
C. 二氧化碳(Carbon dioxide) a. 屬於活性(氧化性)氣體。
b. 電漿電弧的能量分佈較為集中。
c. 一般用於低碳鋼材料的銲接。
d. 容易產生煙霧與飛濺物。
e. 氣體價格較低廉。
D. 氮氣(Nitrogen)
a. 屬於活性(高溫反應性)氣體。
b. 電漿電弧的能量分佈亦較集中。
c. 一般用於銅及銅合金材料的銲接。
d. 容易形成氣孔。
e. 容易造成鎢電極的損耗與污染。