第四章 結果與討論
4.3.2 同種 S15C 碳鋼對接銲之殘留應力分析
圖4.59 為銲接時間為 5 秒時之 σXX暫態熱應力場狀態圖，在此階 段可發現其相似於SUS304 不銹鋼的狀況，即接近銲接熱源的區域因 高溫而膨脹，但受到遠離銲接熱源周圍區域之束縛，因此會在銲接熱 源附近產生壓縮熱應力。而在遠離銲接熱源的區域則因力學平衡之緣
故，因此會產生拉伸熱應力。
圖 4.60 為銲接時間為 10 秒時之 σXX暫態熱應力場狀態圖，在此 階段可發現其相似於圖 4.59 所觀察到的現象，即接近銲接熱源的區 域因高溫而膨脹，並受到遠離銲接熱源周圍區域之束縛，在銲接熱源 附近產生壓縮熱應力。遠離銲接熱源的區域則會產生拉伸熱應力。
同樣的圖 4.61 與圖 4.62 亦可更明顯地發現整個銲道周圍受到局 部熱源作用，使得銲道周圍區域受到遠離銲接熱源的區域的束縛而產 生壓縮熱應力。而遠離銲接熱源的區域亦受到銲道周圍區域之壓縮應 力的產生與束縛，產生相對的拉伸熱應力。
圖 4.63 為為銲接時間為 25 秒時之 σXX暫態熱應力場狀態圖。在 此階段由於銲接熱源即將離開板材，因此在靠近銲道終端位置處仍具 有較高的壓縮熱應力。至於在其他區域則由於銲接熱源的遠離，會造 成整個銲板開始冷卻而收縮，且因銲道區域由高溫熔融狀態冷卻時，
S15C 碳鋼在 600～1000℃的溫度範圍間由於其降伏應力會急遽降低
（參考圖3.5 所示），因此會產生較大的塑性變形，進而會在遠離銲 接熱源的區域形成較高的拉伸熱應力。
圖 4.69 為銲後 50 秒時之 σXX銲接殘留應力場狀態圖。在此階段 由於銲接熱源已經離開板材，因此可明顯發現在靠近銲道區域的拉伸
圖 4.70、圖 4.71、圖 4.72、圖 4.73、圖 4.74 為銲後 100 秒、200 秒、400 秒、800 秒、1600 秒時之 σXX銲接殘留應力場狀態圖。此時 可發現在靠近銲道區域的拉伸殘留應力增加的速率已趨於緩慢。
圖 4.75 為銲後 3150 秒時之 σXX銲接殘留應力場狀態圖。此 時更可發現整個銲板的殘留應力相較於圖 4.74 變化不大，即已趨於 定值，其應力分佈的情形大致與SUS 304 不銹鋼所分析的結果相似。
同種 S15C 碳鋼對接銲之 σYY暫態熱應力分析
圖4.64 為銲接時間為 5 秒時之 σYY暫態熱應力場狀態圖，在此階 段亦可發現在接近銲接熱源的區域會產生壓縮熱應力，而在遠離銲接 熱源的區域則會產生拉伸熱應力。
圖 4.65、圖 4.66、圖 4.67、圖 4.68 分別為 10 秒、15 秒、20 秒、
25 秒時之暫態應力，可發現大致上均有此現象的發生。
圖 4.76 為銲後 50 秒時之 σYY銲接殘留應力場狀態圖。在此階段 由於銲接熱源已經離開板材，因此可明顯發現在銲板中央位置的拉伸 殘留應力相較於圖 4.68 增加許多，而銲板兩側的壓縮殘留應力亦逐 漸地增加。
圖 4.77、圖 4.78、圖 4.79、圖 4.80、圖 4.81 為銲後 100 秒、200 秒、400 秒、800 秒、1600 秒時之 σYY銲接殘留應力場狀態圖。此時
可發現在銲道中央與兩端位置的拉伸與壓縮殘留應力增加的速率已 趨於緩慢。
圖 4.82 為銲後 3150 秒時之 σYY銲接殘留應力場狀態圖，此時可 發現在銲板中央位置處產生定值得拉伸殘留應力，而在銲板兩端位置 處則產生定值的壓縮殘留應力。
同種 S15C 碳鋼對接銲殘留應力之分析與實驗
圖 4.83 與圖 4.84 分別為 S15C 碳鋼銲板冷卻至室溫時之 σXX與 σYY銲接殘留應力分佈圖。由 σXX銲接殘留應力之分析結果可得知，
在靠近銲道附近的區域會產生為較高的拉伸殘留應力值，其大小可達 到母材的降伏應力，而在遠離銲道的區域則會產生較低的壓縮殘留應 力。此外，在本研究中（銲接電流為110 A、電弧電壓為 13 V 及銲 接速度為5 mm/sec 之銲接條件）發現約有 16.3 mm 寬的拉伸殘留應 力區（tensile residual stress zone）產生於靠近銲道附近的區域，而此 拉伸殘留應力區將可能會嚴重影響銲件之機械性質與耐腐蝕性。由 σYY銲接殘留應力之分析結果可得知，在銲板中央位置處會產生較低 的拉伸殘留應力，而在銲板兩側位置處則會產生較高的壓縮殘留應 力。本研究亦發現最大σXX拉伸殘留應力值(298 Mpa)約最大 σYY拉伸
比橫向拉伸殘留應力(σYY)影響平板銲接結構強度甚鉅。
綜合圖 4.83 (b)與圖 4.84(b)之殘留應力分析結果與實驗數據的比 較可得知，本研究建構之有限元素模型可以準確模擬同種S15C 碳鋼 對接銲之銲件殘留應力的大小與分佈情形。
圖 4.85 為 SUS304 不銹鋼與 S15C 碳鋼之銲接殘留應力比較圖，
圖中可發現SUS304 不銹鋼之最大銲接殘留應力值非常接近其降伏應 力強度，而S15C 碳鋼之最大殘留應力值則略低於其降伏強度，會發 生此差異是由於高熱傳導性材料在銲接過程中，會造成有較低的鋒值 溫度與溫度梯度，使板材相互間之熱應力拉扯變小，進而導致最大銲 接殘留應力略小於其降伏強度；相反地，低熱傳導性材料則將造成最 大銲接殘留應力高於降伏強度。此外，雖然熱膨脹系數會造成較高的 熱應力，理應造成較高的銲接殘留應力，但圖中兩者之最高殘留應力 值的比較並沒有發現明顯現象，這是降伏應力的影響程度遠高於熱膨 脹系數所導致，也就是最高銲接殘留應力值大部份取決於材料的降伏 應力值。[58, 59]