就整個銲道型態外觀而言，在相同熱輸入量條件下，表面凹凸起伏、波紋 不規則之程度，依序為純 Mg、AZ31、AZ61 與 AZ91，如此多樣性的銲道型態 變化，主要還是由於各合金所含 Mg 元素不一所造成，因為 Mg 元素相較於 Al 或 Zn，其熔融時的黏滯性與表面張力都較低，熔池較不穩定，合金元素易濺灑
（spatter），所以 Mg 元素含量較多的合金，銲道表面狀況會比較差。
從冷卻速率的觀點，圖 5-1（a）與（b）所示分別為四種 Mg 基材料於 650
℃與 1000℃時的冷卻速率，我們發現 Mg 元素含量較多的合金，通常冷卻速率 較快，根據計算的結果，溫度於 650℃，以及熱輸入量為 14.29 J/mm 時，純 Mg 的冷卻速率為 87852 ℃/sec，相形之下，AZ91 只有 29831 ℃/sec，足足差了將 近三倍；相同熱輸入量下，溫度於 1000℃時，純 Mg 的冷卻速率最快可達 334286
℃/sec，AZ91 為 114016 ℃/sec。因此，這四種 Mg 基材料之冷卻速率，隨著 Al 含量的增加，有減小的趨勢，由此推斷鎂合金中之 Al 元素含量若越多，冷卻速 率會越慢，熔池越不容易擾動，造成銲道表面波紋較為細緻平穩。
此外根據 Mg 合金之主要元素的蒸汽壓值比較，如表 1-3 所示，Mg 在熔點 時之蒸汽壓均大於其他的合金元素，於是 Mg 含量較多之 Mg 基材料，在高蒸汽 壓力的作用下，易產生濺灑。
四種材料在銲深的表現方面，銲深大致上具有隨合金元素 Al 含量增加而增 加的趨勢，如圖 5-2 所示，AZ31 與 AZ61 兩者雖然沒有依循這樣現象，但是兩 者銲深表現實已相差甚小，加上電子束銲接過程乃一動態平衡，銲深並沒有所謂 絕對結果，所以我們仍以整體性的結果為考量。表 5-1 所示為四種材料的熔融溫 度範圍，以 AZ91 熔融溫度範圍（ 470-595℃，△T=125℃）最大，初熔溫度最低；
純 Mg 則是熔融溫度範圍最小，初熔溫度最高，這樣的訊息顯示同樣的熱輸入量 下，熔融溫度較低者越容易熔融完全，整個熔融體積會較大，也會有比較好的銲 深結果。
（3） 表面張力的影響
誠如前言部分所提，銲道表面起伏、銲深銲寬與外觀呈現的差異，乃由熔 池流動所造成，根據文獻所提，作用在熔池上表面者主要為表面張力，而表面張 力雖然為合金成分及溫度的函數，但是在銲接過程的熔池表面溫度乃相當可觀，
因此，由溫度梯度（ΔT）導致的表面張力梯度（Δγ）才是決定表面熔池流動 的主要控因，果真是如此的話，則材料溫度係數值（Δγ/ΔT）的正負，勢必造 成銲道迥然不同的表現。然而，我們曾試著對這四種 Mg 基材料進行潤濕性實 驗，可惜因 Mg 元素高蒸汽壓，易氧化的特性，以及設備上的限制，未能將這四 種材料基本的溫度係數資料建立起來。不過根據文獻上的記載，純 Mg 達熔點
（650℃）時的表面張力值為 540 erg/cm2，溫度係數為-0.32 erg/cm2 ℃；而 Mg-8.80 wt%Al 之二元合金，熔點（600℃）時的表面張力值為 571 erg/cm2，溫度係數為 -0.30 erg/cm2 ℃[51]，由此來看，純 Mg 與含有約 9％Al 之二元 Mg-Al 合金的溫 度係數差異甚小，而且兩者皆為負數，為此，因 AZ31、AZ61 與 AZ91 因為個別 Zn 含量少且約略相同，我們將其視為 Mg-Al 二元合金來處理，進而推測其溫度 係數應該差異不大，且維持負值，所以可預測的是，表面張力可能不是造成四種 材料之銲接結果不一的主因。
陸. 結論
根據前述對於四種 Mg 基材料，純 Mg、AZ31、AZ61 以及 AZ91，在各項 實驗的結果顯示，得到以下的結論：
1. 經電子束銲接後，當四種 Mg 基材料的 Al 元素含量越多，銲道表面型態越趨 於穩定，不易濺灑，而且表面波紋也會較規則細緻。
2. 四種 Mg 基材料在銲深的表現上，呈現 Al 元素含量越多，銲深越深的趨勢。
30 mm 厚板之 AZ91 的電子束銲接，高銲深表現之最佳參數為功率 2200 W 與走 速 16 mm/s，銲深可達 28.6 mm，相較於其他種材料有良好的銲深表現。
3. 凝固之後的熔融區與熔融區邊界，四種材料均不見所謂柱狀區的顯微組織，整 個熔融區的顯微組織，Mg 相為等軸晶，β相則是呈現樹枝狀晶；四種材料之熔 融溫度範圍隨著 Al 元素含量增加，以 AZ91 最大，純 Mg 最小，因此，在熔融 區邊界上，Al 元素含量較多的合金，如 AZ61 與 AZ91 容易衍生出部分熔融區域，
純 Mg 與 AZ31 則無。
4. 不管是銲道橫斷面之垂直方向，或水平方向之微硬度測試，結果顯示四種材料 的微硬度值均是熔融區大於母材部分。同種材料在功率相同之下，當走速越快，
熔融區的微硬度值隨之增加。
5. 6 mm 厚之純 Mg 與 AZ31，相同功率下，走速越快，拉伸強度越大，因為走速 越快，冷卻速率隨之越快，晶粒尺寸也會趨於細化，而達到強化目的。
6. 根據 Adams 學者推導之二維熱流解析方程，由計算得知，四種材料的冷卻速 率隨著 Al 元素含量的增加而減緩；同樣的材料在相同功率下，走速越快，熱輸 入量就越小，伴隨而來的冷卻速率就越大。
7. 四種 Mg 基材料的溫度係數應該差異不大，且維持負值，所以可預測的是，表 面張力可能不是造成四種材料之銲接結果不一的主因。
8. 三種 Mg 合金，AZ31、AZ61 以及 AZ91 的整體織構，以平行於(1325)之法線
方向為軸的 fiber texture 最為顯著，即[1323]（(1325)之法線方向）∥ED，另外 還伴隨著一些較微弱的 fiber texture，如[0001]∥ED 的 basal fiber texture，再結晶 後的晶軸 a 與 c 具有以下的關係：a 軸則與 WD 夾 30o角，c∥ND。
9. 局部區域的微織構解析，AZ31 與 AZ61 凝固後之微織構，呈現 a∥WD，c 則 落在垂直於 WD 的平面上，而與 ND 夾 35o角，與 WD 夾 90o角的關係。
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表 1-1 純 Mg 的物理性質與機械性質[5]
表 1-2 各合金元素對於 Mg 合金的影響[5]
表 1-3 AZ 系列主要元素 (Mg、Al 及 Zn)與 Fe 元素的熱物理性質比較[11]
Mg Al Zn Fe
Melting point Tm (℃) 650 660 420 1535 Boiling point Tb (℃) 1107 2060 930 2730 Vapor pressure (Pa)
at Tm
360 10-6 23 2.3 Vapor pressure (Pa)
at 727℃ 1.36×103 1.2×10-5 1.2×104 0 Viscosity (mPa s at Tm) 1.25 1.3 3.5 6
Surface tension (N/m) at Tm
0.56 0.91 0.78 1.87 Thermal conductivity of
solid at Tm (Wm-1K-1) 310 210 9 30 Absorptivity (%) at Tm
1.06μm (for Nd:YAG Laser)
- 11 42 (300K) 36 (300K) Absorptivity (%) at Tm
10.6 µm (for CO2 Laser)
3 (300K) 3 10 5 (300K)
表 3-1 四種 Mg 基材料之成分（a）wt%，（b）at%
（a）
Chemical composition in weight percent (%) Alloy
Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Be Mg Pure Mg - - - 99.9
AZ31 2.86 0.82 0.31 - - - Bal.
AZ61 5.88 0.74 0.28 - - - Bal.
AZ91 9.07 0.62 0.33 0.017 0.0026 0.0006 0.0004 0.0002 Bal.
（b）
Chemical composition in atomic percent (%) Alloy
Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Be Mg Pure Mg - - - 99.9
AZ31 2.60 0.31 0.14 - - - Bal.
AZ61 5.36 0.28 0.13 - - - Bal.
AZ91 8.29 0.23 0.15 0.015 0.0011 0.0002 0.0002 0.0005 Bal.
表 3-2 6 mm 厚板之銲接參數
電子束 銲接機 真空度
torr
電子槍 真空度
torr
電壓 kV
電流 mA
功率 W
走速 mm/s
熱輸入量 J/mm 15 33.33 25 20.00 6×10-5 4×10-6 50 10 500
35 14.29
表 3-3 30 mm 厚板之銲接參數
電子束 銲接機 真空度
torr
電子槍 真空度
torr
電壓 kV
電流 mA
功率 W
走速 mm/s
熱輸入量 J/mm 35 1925 20 96.25 16 137.50 20 110.00 6×10-5 4×10-6 55
40 2200
35 62.86
表 4-1 6 mm 厚板之純 Mg、AZ31、AZ61 與 AZ91 電子束銲接結果
電壓 kV
電流 mA
功率 W
走速 mm/sec
熱輸入 量 J/mm
銲深 mm
銲寬 mm
熔入比 (depth/width) 15 33.33 3.985 1.853 2.151 25 20.00 1.268 1.710 0.742 pure
Mg 50 10 500
35 14.29 1.168 1.658 0.704 15 33.33 4.915 1.960 2.508 25 20.00 3.263 1.790 1.823 AZ31 50 10 500
35 14.29 2.620 1.753 1.495 15 33.33 4.218 3.265 1.292 25 20.00 3.155 2.648 1.191 AZ61 50 10 500
35 14.29 2.510 2.335 1.075 15 33.33 6.000 2.910 2.062 25 20.00 3.745 2.885 1.298 AZ91 50 10 500
35 14.29 2.958 2.473 1.196 15 33.33 6.000 2.768 2.168 25 20.00 3.580 2.808 1.275 AZ91-
NST 50 10 500
35 14.29 3.135 2.388 1.313 註：pure Mg、AZ31、AZ61 與 AZ91 是指銲接前經過固溶處理；而 AZ91-NST
則是代表銲接前未經任何熱處理
表 4-2 30 mm 厚板之 AZ91 電子束銲接結果
電壓 kV
電流 mA
功率 W
走速 mm/sec
熱輸入 量 J/mm
銲深 mm
銲寬 mm
熔入比 (depth/width) 55 35 1925 20 96.25 21.075 2.891 7.290 55 40 2200 16 137.50 28.609 3.478 8.226 55 40 2200 20 110.00 26.792 3.329 8.048 AZ91
55 40 2200 35 62.86 19.777 2.903 6.813
表 4-3 四種 Mg 基材料之原始母材，熔融區上、中及下部分區域，與熔融邊界 處之晶粒大小（單位：µm）
（a）銲接參數：500 W，15 mm/s
Base FZ-Top FZ-Middle FZ-Bottom FL Mg Spacing：30 - - - Spacing：37
AZ31 32 - - - 32
AZ61 12 - - - 15
AZ91 25 - - - 32
（b）銲接參數：500 W，35 mm/s
Base FZ-Top FZ-Middle FZ-Bottom FL Mg Spacing：30 - - - Spacing：50
AZ31 32 - - - 32
AZ61 12 - - - 12
AZ91 25 - - - 31
表 4-4 文獻上有關 Mg 基材料之拉伸資料[2,4,47,50]
Temper UTS (MPa)
Elongation
(%) Remark AZ31 F 260-290 14-20 Extruded shapes AZ61 F 310-315 15-17 Extruded shapes AZ91 F 196-255 0.5-3 Die-casting F：As fabricated
表 4-5 Mg 基材料之拉伸測試結果
Condition UTS (MPa) Elongation (%) Fracture Base 114 12.6 base 500 W, 15 mm/s 100 14.0 base 500 W, 25 mm/s 106 10.9 base Mg
（6 mm plate）
500 W, 35 mm/s 118 10.0 base Base 267 16.6 base 500 W, 15 mm/s 302 16.6 weld 500 W, 25 mm/s 314 17.7 weld AZ31
（6 mm plate）
500 W, 35 mm/s 314 19.0 weld Base 313 25.3 base 500 W, 15 mm/s 250 16.6 weld 500 W, 25 mm/s 252 16.0 weld AZ61
（6 mm plate）
500 W, 35 mm/s 247 15.6 weld Base 312 8.3 out of GL 500 W, 15 mm/s 322 9.6 weld 500 W, 25 mm/s 316 7.3 out of GL AZ91
（6 mm plate）
500 W, 35 mm/s 265 3.8 base
Base 236 17.8 -
1925 W, 20 mm/s 242 20.0 - 2200 W, 20 mm/s 224 16.7 - AZ91
（30 mm plate
& whole FZ
specimen） 2200 W, 35 mm/s 246 17.1 -
註：Fracture 欄表示拉伸試片之斷裂處，base 代表斷裂於母材，weld 代表斷裂於 銲道，out of GL 代表斷裂於 gauge length 之外
表 4-6 四種 Mg 基材料之晶格常數
Lattice constant a
（Å）
Lattice constant c
（Å） c/a
Mg 3.2095 5.2104 1.6234 AZ31 3.2010 5.1922 1.6221 AZ61 3.1896 5.1747 1.6224 AZ91 3.1855 5.1676 1.6222
表 5-1 四種 Mg 基材料的熱物理性質[47-50]
Density
（g/cm3）
Thermal Conductivity
（W/mK）
Specific Heat
（J/gK）
Thermal Diffusivity
（m2/sec）
Specific Heat of
Fusion
（J/g）
Melting Range
（℃）
Mg 1.74 152.79 1.00 8.78×10-5 368.37 650 AZ31 1.78 76.90 0.99 4.36×10-5 339.07 575-630 AZ61 1.80 64.05 0.99 3.63×10-5 354.54 530-610 AZ91 1.81 51.20 0.98 2.89×10-5 370 470-595
表 5-2 四種 Mg 基材料於 650℃之冷卻速率 For T = 650℃
500 W, 15 mm/s
（℃/sec）
500 W, 25 mm/s
（℃/sec）
500 W, 35 mm/s
（℃/sec）
Mg 2700 22667 87852 AZ31 1242 11420 44647 AZ61 1003 9575 37561 AZ91 743 7563 29831
表 5-3 四種 Mg 基材料於 1000℃之冷卻速率 For T = 1000℃
500 W, 15 mm/s
（℃/sec）
500 W, 25 mm/s
（℃/sec）
500 W, 35 mm/s
（℃/sec）
Mg 11014 86815 334286 AZ31 5480 44118 170261 AZ61 4573 37116 143360 AZ91 3583 29477 114016
圖 1-1 Mg-Al 系的平衡相圖[6]
圖 1-2 不同型態成核所需自由能之比較（a）臨界半徑定義，（b）成核示意圖，
（c）自由能圖[16]
圖 1-3 三種不同銲接類型之凝固型態（a）bead welding，（b）arc spot welding，
（c）resistance spot welding[ [16]
圖 1-4 銲接參數對於銲道內晶粒型態的影響（a）低熱輸入量，低走速，（b）高 熱輸入量，高走速，（c）高熱輸入量，高走速，伴隨成核[17]
圖 1-5 典型鑄造材料之晶粒結構[18]
圖 1-6 EBSD 之基本系統裝置架構（ a）電子束，試片與螢光幕之空間關係，（b）
電子束相對於電腦之平面圖，（c）電子束相對於螢光幕之平面圖[26]
圖 1-7 EBSD 之基本系統裝置套件