第四章 結果與討論
4.3 氣瓶之銲接設計
依氣瓶尺寸設計圖進行氣瓶上下本體的製作，接著將圖 4-14 上蓋及圖 4-15 氣瓶罐體分成兩種接合方式，如圖 4-16 上下本體接合法進行銲接，
銲接參數以未填料平版對接最佳參數為 base，因填料需要提高熱能輸入 量，所以氣瓶銲接參數設定如表 4-10，並進行氣瓶全周 TIG 填料不開槽銲 接，銲接後狀況如圖 4-17 胴體側施銲及圖 4-18 上蓋側施銲兩種。
表 4-10 氣瓶銲接參數
GAP (mm)
電流 (A)
走速 (mm/min)
氬氣流量 (l/min)
銲條直徑 (mm)
鎢棒直徑 (mm)
填料 2.0 160 230 15.0 3.2 3.2
圖 4-14 氣瓶上蓋
圖 4-15 氣瓶罐體
圖 4-16 上下本體接合法
圖 4-17 胴體側施銲
圖 4-18 上蓋側施銲
4.4 水壓試驗探討
依銲道之溶深狀況，如圖 4-19(a)胴體側施銲和(b)上蓋側施銲，及銲道
外型美觀為選定準則，最後選定以溶入深較淺之上蓋側銲接方式(溶深約 2.0mm)進行耐水壓試驗，經由SGS進行水壓試驗後，氣瓶在 10Kg/cm2壓力 維持 1min.無洩漏及變形，接著繼續增壓至 20 Kg/cm2壓力維持 1min.仍無洩 漏及變形，壓力表讀值及氣瓶狀況如圖 4-20(a) 10Kg/cm2壓力值及(b) 20 Kg/cm2壓力值，最終鋁合金氣瓶耐水壓為 20 Kg/cm2高過於D.O.T要求之 5/3 的設計壓力值(約 17 Kg/cm2)，所以判定符合要求，SGS水壓試驗報告如附 錄一。
上蓋
側壁 銲道 銲道
上蓋
側壁
圖 4-19(a) 胴體側施銲銲道 圖 4-19(b) 上蓋側施銲銲道
圖 4-20(a) 10Kg/cm2壓力值下氣瓶狀況
圖 4-20(b) 20Kg/cm2壓力值下氣瓶狀況
4.5 微硬度試驗分析
4.5.2 無填料銲件之微硬度分析
未經銲後熱處理與經過銲後 T6 熱處理之無填料銲件截面積微硬度變 化曲線，如圖 4-22 所示。未經銲後熱處理之無填料銲道區硬度平均為 105 Hv 與母材區硬度平均為 142 Hv，經過銲後 T6 熱處理製程之無填料銲件，
其銲道區硬度平均為 171 Hv 與母材區硬度平均為 176 Hv，所以銲件經過 T6 熱處理製程後，在銲道區硬度較未熱處理者提升約 39%，另在母材區 硬度則較未熱處理者提升約 19%，整體看起來，未填料之銲件在銲後熱處 理後，其硬度值回復到原母材的狀況，相當於未經過銲接過程之熱影響狀 態。
綜合上述實驗結果顯示，當無填料銲件經過T6 熱處理後，銲道硬度 高於未熱處理前，且仍高於有填料銲件T6 熱處理之狀況，在Hirano[73]等人 指出銅、鎂、矽和鋅等元素，為 7000 系列鋁合金介入析出強化的主要溶 質原子、惟鋅、鎂等低熔點元素在銲接過程中易於蒸發，故無填料銲件之 銲道合金成分濃度相對較有填料銲件高，故經銲後T6 熱處理製程能形成 較多微細分佈的過渡相析出物(G.P. zones、η相與η＇相)，可具較多機率 形成η＇析出強化相。因此無填料銲道之微硬度值經銲後T6 熱處理後，其 微硬度值較有填料銲件銲道者為高。
當在銲件銲後未經熱處理前，無填料銲道硬度值較有填料銲道硬度值 高約 31 Hv，研判為有填料銲件在銲接過程中，為使 ER5356 填料能充分與
鋁合金母材熔融，提高電流增加熱能用以增進融合效果，此方式使有填料
抗拉強度
銲道斷裂
圖 4-25 有填料銲件之銲後熱處理拉伸試片結果
銲道斷裂
4.6.2 無填料銲件之拉伸試驗探討
圖 4-27 及圖 4-28 為無填料銲件在有/無銲後熱處理後，進行拉伸試驗 之結果。未經銲後熱處理銲件之抗拉強度為 27.7Kg/mm2、降伏強度為 10.4 Kg/mm2，而經過銲後T6 熱處理銲件其抗拉強度為 35.1 Kg/mm2、降伏強 度為 19.2 Kg/mm2，顯示銲後T6 熱處理對於銲件仍具有強化之效果，且較 未經銲後熱處理銲件之抗拉強度提升約 21%及降伏強度提升約 45%。在圖 4-29 及圖 4-30 為拉伸試片在銲後熱處理及未熱處理之狀況，仍然均在銲 道區斷裂，斷裂面呈現平整脆斷狀況。
綜合有/無填料銲件的拉伸試驗結果，在無填料銲件經 T6 銲後熱處理 後之抗拉強度及降伏強度仍較低於無熱處理之填料銲件，顯示 7075 鋁合 金在經 ER5356 填料銲接後，其強度較無填料者高，且在經銲後 T6 熱處 理可提升銲件之強度，但仍無法使銲道強度高於母材。
抗拉強度
0 5 10 15 20 25 30 35 40
無熱處理 熱處理
Kg/mm2
圖 4-27 無填料銲件在有/無熱處理後之抗拉強度
降伏強度
0 5 10 15 20 25
無熱處理 熱處理
Kg/mm2
銲道斷裂
圖 4-29 無填料銲件之銲後熱處理拉伸試片結果
銲道斷裂
圖 4-30 無填料銲件之銲後無熱處理拉伸試片結果
4.7 金相組織分析
4.7.1 有填料銲件在銲道與熱影響區之金相組織
圖 4-31 為無/有銲後熱處理之有填料金相狀況，當銲接過程中，鋁合 金受到高溫電弧熱而熔化，待冷卻後形成銲道。在銲道金屬融化-凝固之 原理類似鑄造過程，故其金相組織亦類似鑄造組織。
圖 4-32 為無/有銲後熱處理之有填料銲道金相圖，銲道在無銲後熱處 理呈現為等軸樹枝晶結構，另銲道在經過銲後 T6 熱處理後，在經過固溶 處理製程，故其金相組織可發現無明顯樹枝狀組織，且可發現偏析物存在 於晶粒或晶界。
圖 4-33 為無/有銲後熱處理之有填料銲件 HAZ 與銲道交界處金相圖，
觀察圖中該區域之金相組織可發現在未經銲後熱處理之晶粒中，越往銲道 中心晶粒越粗大，經過銲後 T6 熱處理之熱影響區晶粒也逐漸由小晶粒變 為較粗大之晶粒，但有/無熱處理之差異在未經熱處理之銲件，可發現熱 影響區與柱狀晶間存在較為明顯之熔融線，但在經過銲後 T6 熱處理之熱 影響區晶粒，因固溶處理擴散作用，使得熱影響區與柱狀晶間熔融線被消 除，變得銲道與母材交界逐漸模糊。
(a)銲後未熱處理 (b)銲後熱處理(T6) 圖 4-31 銲後熱處理之有填料金相狀況
母材 HAZ 銲道 母材 HAZ 銲道
(a)銲後未熱處理 (b)銲後熱處理(T6) 圖 4-32 銲後熱處理之有填料銲道金相組織
(a)銲後未熱處理 (b)銲後熱處理(T6) 圖 4-33 銲後熱處理之有填料銲件 HAZ 與銲道交界處金相組織
4.7.2 無填料銲件在銲道及熱影響區之金相組織
圖 4-34 及圖 4-35 為無/有銲後熱處理之無填料金相狀況及銲道金相，
銲後未經熱處理之無填料銲道金相仍呈現為等軸樹枝晶結構，因無添加銲 條的情況，所以影響銲道組織的因素在於銲接速率，當施銲時間越短時，
銲件熱輸入量越少，因此無填料銲道晶粒成長程度及尺寸均較有填料者 小，令銲件經過 T6 熱處理後，仍因經過固溶處理，故其金相組織也可發 現無明顯樹枝狀組織，且可發現偏析物存在於晶粒或晶界，但析出物的數 量較有填料者低。
圖 4-36 為無/有銲後熱處理之無填料銲件 HAZ 與銲道交界處金相圖，
在比較圖 4-34(a)與圖 4-31(a)後發現無填料銲件熱影響區之寬度(約 80μm)
經 T6 熱處理後，熱影響區晶粒同樣受固溶處理擴散作用後，使得銲道與 母材交界逐漸模糊。
(a)銲後未熱處理 (b)銲後熱處理(T6) 圖 4-34 銲後熱處理之無填料金相狀況
母材 HAZ 銲道 母材 HAZ 銲道
(a)銲後未熱處理 (b)銲後熱處理(T6) 圖 4-35 銲後熱處理之無填料銲道金相組織
(a)銲後未熱處理 (b)銲後熱處理(T6) 圖 4-36 銲後熱處理之無填料銲件 HAZ 與銲道交界處金相組織
4.8 討論
綜合上述的實驗結果，針對利用 7075-T6 鋁合金進行微型儲氫氣瓶的 製作及銲接後各項研究與討論，共歸納下列幾項結果：
1、 填料銲接之銲接參數為當試片與電極間隙為 2.0mm、銲接電流 為 160 A、銲槍走速為 230 mm/min及保護氣體流量為 15 l/min 進行銲接，結果選定為上蓋施銲之氣瓶經水壓試驗後，可承受 20Kg/cm2之耐水壓，符合設計之 10 Kg/cm2值，且氣瓶無變形及 銲道無洩漏之狀況。
2、 當銲件使用 ER5356 填料銲後，在有經過銲後 T6 熱處理後，銲 道之硬度相對於無銲後熱處理之銲件高約 43%，而母材也相對
3、 在金相組織方面，無論是無填料或有填料銲件經銲後 T6 熱處理 後，均可因固溶處理擴散作用，使得熱影響區與柱狀晶間熔融 線被消除，變得銲道與母材交界逐漸模糊，相對的熱影響區域 面積減少，有利於提升銲件之強度。
4、 因銲接過程輸入之熱量不同，導致銲道之晶粒組織大小不同，
因而影響銲件之強度。又因無填料銲件所輸入的熱量低於有填 料之銲件，所以無填料銲件熱影響區也相對較有填料銲件小。
第五章 結論與建議
本研究係針對儲氫氣瓶之設計進行研究探討，並經由實驗過程之討 論，最後整理得到之結論由下所列：
1、本次研究採用 7075 鋁合金為儲氫氣瓶之材料進行銲接，不同於一般採 用不銹鋼為材料之氣瓶，有效降低重量約 45%，達到可攜式之目的。
2、利用最佳銲接參數進行銲接，除了有效達到銲接強度，同時也防止了銲 接熱裂及氣孔之產生。
3、本次研究針對在有填料及無填料的銲接製程中，從銲道微硬度值、抗拉 及降伏強度都可明顯看出，在有填料的狀態下，其銲接強度均高過於無 填料銲接，故添加銲料可有效提升銲道之機械性質。
4、銲件經過固溶+人工時效處理後，因熱影響區與柱狀晶間熔融線被消除，
使得銲道與母材交界逐漸模糊，進而提升熱影響區之機械強度。
本研究提出下列建議，作為後續研究之參考：
1、 可進行更高壓力之水壓試驗，用以確認最早破裂之位置，若為銲道，則 可再進行銲道填料種類及銲道熱處理之探討，用以提升銲道之強度，同 時再提升整個氣瓶之抗壓程度。
2、 因氣瓶進行氫之儲存，後續針對銲道及材料本身之耐侵蝕性，可進行熱 處理以提升鋁合金銲道之耐蝕性或利用不同材質之鍍層，用以提高氣瓶 之耐蝕程度，增加使用壽命及安全性。
參考文獻
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6. Kaiser(1984). Welding Kaiser Aluminum. 1st Ed. Oakland, Calif：Kaiser Aluminum &
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