第二章 文獻探討
2-1 鋁合金
2-1-1 鋁合金的簡介
鋁之比重2.7g/cm3、熔點在660℃，其晶格為面心立方結構(FCC)。鋁重 量輕，質軟加工容易，延展性及抗蝕性佳且無毒性，同時具有高的重量強
鋁合金一般分為兩大類：鍛造型(Wrought )及鑄造型(Casting)鋁合金；
鍛造用鋁合金一般而言都是用於加工成品應用，如板、管、箔、線等。而
目前鍛造用鋁合金之代號係依據美國鋁業協會 (American aluminum association, A.A.)所規定，依鋁合金所含之合金元素區分為九大類，並以四 位數字來編號，其中第一位數字為代表合金系列，第二位數字用來區別原 合金(Original alloys)與改良合金(Modification of the original alloys)或不純物 之上限。最後兩位數字用於區別不同鋁合金之成分或純鋁之純度，如表 2-1 所示。而 1XXX、3XXX、4XXX 及 5XXX 系列鋁合金，係屬於非熱處理型
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合金;2XXX、6XXX 及 7XXX 系列則是屬於熱處理型合金。以下將各類鋁 合金作一簡介。
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其降伏強度可達 40Ksi。本系列中常用之鋁合金有 2011，2024，2025 等。
本系列之鋁合金其抗蝕性較其他系列之鋁合金為差，所以常會發生沿晶式
7 接性也甚佳，尤其具極優良的抗應力腐蝕裂縫(Stress corrosion cracking, SCC) 能力。常用於一般之結構材料如運輸工具、家具、管路銜接之轉接頭等，
其主要成份為0.4~0.8％之矽，0.7％以下之鐵，0.15~0.4％之銅，0.15％以下 之錳，0.8~1.2％之鎂，0.04~0.35％之鉻，0.25％以下之鋅及0.15％以下之鈦。
6061 鋁合金的固溶熱處理(Solution heat treatment)溫度為 530℃(985°F)；
人工時效溫度(Artificial aging temperature)：滾軋或抽製品為 160℃(320°F)，
保持 18 小時；擠製或鍛造為 175℃(347°F)，保持 18 小時。
8 alloy designation system, IADS)，在合金四位數字之後再加上一個英文字母 來代表其所受的熱處理狀況，其代表意義如表 2-2 所示。
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(6) 鋁從固態至液態對氫的溶解度遽增，一旦氫溶入後，凝固時不易排出，
容易生成氣孔。於下一節有更詳細之介紹。
(7) 對鋁合金而言，無論是熱處理型或非熱處理型鋁合金，在受到銲接高溫 影響後，銲道熱影響區(HAZ)均會產生組織上的變化且會有明顯硬度降 低之現象。熱處理型鋁合金可經由銲後熱處理來使其硬度上升。
2-1-4 鋁合金銲接常見之缺陷 (1) 氣孔：
在鋁合金銲件上，造成氣孔的主要原因為氫氣的存在。氫氣最初來源 是由於母材或填料金屬表面的氫氧化合物以及碳氫化合物的薄膜，或是遮 蔽氣體所提供，並且由於鋁合金對氫氣的固溶量在液態及在固態的差異將 近20倍，如圖2-1所示[10]，所以在銲道凝固過程時未能完全排出而殘留在 銲道內形氣孔。而Mg含量高的合金以及低銲接速度(高輸入熱量)會造成氣 孔數目的增加[11]。在高銲接速度時氫原子的擴散(Diffusion)和小氣泡合併 的時間是被限制的故不易生成氣孔；低銲接速度時小氣泡和外部氣體逸散 (Escape)的時間是足夠的，所以容易生成氣孔。
圖 2-1 鋁在不同溫度下對氫氣的固溶量[10]
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銲件中氣孔的存在對機械性質的影響甚大，以下分為4點來討論：
靜強度(Static strength)：
在Rudy[12]、Shore[13]的研究結果顯示，當氣孔的數目增加時，抗拉強 度和伸長率明顯下降，降伏強度則無此現象，如圖2-2、2-3所示。
疲勞強度：
當氣孔數目增加會降低疲勞強度，如圖2-4所示。
裂縫(crack)：
氣孔形成之時，氣孔本身有極大的內壓力(Internal gas pressure)，此內壓 力會助長裂縫的形成。
腐蝕性：
微小氣孔有毛細作用，因而吸附水氣並形成濃度電池(Concentration cell)。
圖 2-2 氣孔對抗拉強度的影響[13]
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圖 2-3 氣孔對降伏強度的影響[13]
圖 2-4 銲道氣孔對疲勞強度的影響[13]
由於氣孔對於銲件品質有不良的影響，根據文獻、學者研究，可得以下之 幾種解決方法：
銲接前母材表面及銲線先行清潔。
適當的接頭設計。
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避免在潮濕的環境下施銲。
避免過快的冷卻率，使得熔池內的氣體來得及逸除而不致形成氣孔；在 寒冷的地方施銲，則需適當的預熱。
銲接時採用電磁振盪法(Eletronmagnetic stirring)[14]，幫助氫氣從銲道熔 池中脫離。
機械因素(mechanical factor)：接頭設計、材料厚度、銲珠大小及形狀、
夾持等。
熱效應(thermal effect)：輸熱入量與冷卻速率。
治金因素(metallurgical factor)：晶粒大小、偏析、成份。
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因此想要減少銲道熱裂縫有下列幾個方法：
減少熱輸入量。
先適當的預熱，特別是較厚的材料。
適當的接頭設計以及減少夾持力，以減少其熱變形。
選用適當的填料，可使初期的裂縫藉由豐富的共晶溶液回填和復原，降 低熱裂敏感性。如加入Ti、Zn等元素之填料，可使晶粒細化而降低熱裂 敏感性。而由幾項研究結果顯示出[16]~[18]，二元合金熱裂敏感性的增 加到達巔峰值的原因是由於溶質的成份在1~3 wt%，如圖2-5所示[19]。
因此如欲降低熱裂敏感性，需加入適當的填料使其合金元素含量上升超 過3%。
圖 2-5 合金元素與熱裂敏感性的關係[19]
(二)母材熱影響區(HAZ)熱裂縫：
母材熱影響區的熱裂縫產生，其原因可由液化理論及析出物理論來解 釋[20]。
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液化理論可解釋銲道旁邊部份溶解區的熱裂縫；是因母材受到超過共 晶溫度的熱影響導致晶粒邊界液化[21]而導致熱裂，其來源有
晶界的液化
低熔點的偏析物(如含Si、P、S之偏析物)
夾渣(Inclusion)的液化
析出物析出理論可以解釋母材熱影響區的熱裂縫；在此以圖2-6說明之。
在某一溫度條件下，晶粒周圍處的析出物往晶界聚集，在晶粒周圍處形成 一窄且強度低的析出物缺乏區(Precitate depleted zone)。由於強度低無法承 受因溫度下降所產生的收縮應力而產生裂縫。
圖 2-6 析出物析出理論示意圖[20]
降低母材熱影響區熱裂之方法有下列幾種：
以較低的熱輸入量施銲，以減少母材熱影響區的部份固溶區大小，並且 減少母材停留在高溫的時間，避免析出物過度析出。
降低夾持約束力，減少外力的影響。
鋁合金本身添加少量的Cr，增加晶粒穩定或加入Ti、Co、V、Zn等晶粒 細化元素，減緩析出物過量析出。
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2-2 惰性氣體金屬極電弧銲接(MIG)
2-2-1 惰性氣體金屬極電弧銲接(MIG)簡介
惰性氣體金屬極電弧銲接，使用銲線當電極，與工件間產生電弧，電 弧之熱量將母材之銲槽表面及銲線頂端熔化，端部熔化後之金屬滴點，將 穿越電弧落入銲池中，熔融之銲接金屬能將銲接區加熱，並以惰性氣體保 護銲道免於氧化，此銲接法所產生之熱能更集中。如圖 2-7 所示。並採用定 電壓方式銲接，以防止因電壓改變而影響電弧長度以導致銲出不均勻銲道 之缺點。
圖 2-7 MIG 銲接設備示意圖[22]
電弧是由電流經過離子化之氣體層所發生。氣體之分子或原子被電力 擊散，發生遊離；即失去電子，留下正電荷。帶正電荷氣體之離子，由正 極流向負極，而電子則由負極流向正極。總熱量 95%係由電子傳送，其餘 部份由正離子傳送，如圖 2-8 所示。
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圖 2-8 直流正極性電弧示意圖[23]
2-2-2 惰性氣體金屬極電弧銲接(MIG)之主要銲接參數 (1) 銲接電壓：
電弧電壓是影響銲道外觀形狀的最大原因，電壓低則銲道表面成凸形 且窄，熔入深；電壓太高銲道寛且扁平，熔入淺，而且電壓太高，噴渣(Spatter) 情形嚴重，容易造成銲道有氣孔缺陷產生。如圖 2-9 所示。
圖 2-9 同一電流值下電弧電壓與銲道表面形狀和熔深之關係[24]
(2) 銲接速度：
由 Q(熱輸入量)=V × I × S (單位：焦耳/公分)，其中 S 為銲接走速，因 此可得知銲接速度會影響熱輸入量的大小、母材熱影響區的寛度和氣孔的
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形成。速度過慢，會使熔池金屬在銲池中堆集愈高，銲道角隅過度堆疊，
產生大型熱影響區(HAZ)以及氣孔生成。速度過快，會使傳導至母材的熱量 滅少，熔透率下降，銲珠之寛度與高度亦減少。
而在 William L. Burch 研究[25]中指出較快的銲接走速能減少母材停留 在 570~700℉區的時間，能提高銲件的抗拉強度；但是過快的銲接速度易造 成銲接過程中電弧的不穩定性。
(3) 送線速度：
送線速度會影響銲道填料的多寡，影響電弧起弧的穩定度。其中在定 電壓式的 MIG 銲接中，送線速度和電流成正比關係，電流增加相對的會增 加電極熔融效率，而電流值必須達到填料的臨界電流，才會產生噴灑式 (Spraying)銲滴傳遞，否則仍屬於球滴傳遞。
(4) 銲接電極長度：
銲線伸出長度，是指銲線從銲槍內導電火嘴起至銲線之最前端之間的 距離，如圖 2-10 所示。其會影響電弧的安定性、熔融量。銲線太短，噴渣 (Spatter)容易附著噴嘴口。銲線太長，保護氣體壓力降低容易使空氣混入，
使電弧發生不穩定現象。因此需視情況調整銲線伸出長度，以因應根隙過 大或過小。遇根隙太大時，可增加銲線伸出長度，以滅少滲透，增加金屬 熔填量。反之，根隙太小時，則需減少銲線伸出長度，以增加滲透。
圖 2-10 電極伸出量示意圖
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(5) 銲線尺寸：
•銲線直徑較大者：可供電流較大時使用，此情況下可以產生較高的熔填 率與較深之滲透率。如電流保持不變，則電流密集度因直徑較大而減少，
銲線熔化速度也因此下降。
•銲線直徑較小者：如電流保持不變，銲線熔化速度較快，有較大之熔填 率與較深之滲透率。
(6) 保護氣體流量：
保護氣體的作用是在銲接時隔絕銲道與大氣的接觸以及擔負起銲接時 熱能的傳遞。在 MIG 銲接時，保護氣體流量大小與電弧穩定度以及熔融滲 透有很大的關係，流量大時電極容易受擾流干擾變的不穩定，若流量太低 時，則熔融滲透率會降低。
因此如何選用適當的保護氣體為一重要課題，以下將就保護氣體的特 性及如何選用適當的保護氣體作一簡單描述：
保護氣體的特性：
(a) 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。一般銲接氣體的比重如表 2-3 所示。
表 2-3 銲接氣體的比重
Gas Ar He CO2 O2 N2 H2
Specific gravity 1.380 0.137 1.530 1.105 0.967 0.069
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(b) 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。圖 2-11 為保護氣體的熱傳導性之比較。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。
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。圖 2-11 為保護氣體的熱傳導性之比較。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。