第四章 結果與討論
4.3.3 異種金屬對接銲之殘留應力分析
異種 SUS304 不銹鋼與 S15C 碳鋼對接銲之 σXX暫態熱應力分析
圖4.86 為銲接時間為 5 秒時之 σXX暫態熱應力場狀態圖，此階段 可發現相似前節所觀察的現象，兩塊銲板在接近銲接熱源的區域因高 溫而膨脹，並受到周圍區域之束縛而在銲接熱源附近產生壓縮熱應 力。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 4.87 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 5.86 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 4.88 與圖 4.89 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 4.90 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，造成
銲道區域由高溫熔融狀態冷卻時，304 沃斯田鐵型不銹鋼與 S15C 碳 鋼各自在一定溫度範圍內具有相當大的應力變化值，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，
且相較於同種 SUS304 不銹鋼與同種 S15C 碳鋼的暫態熱應力狀況，
亦可發現兩塊板件因為接合在一起，而會有相互間的應力拉扯現象，
而造成銲板應力會有各自地上升或下降的調整趨勢。
圖 4.91 為銲接 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，因此可明顯發現兩塊銲板在靠近銲道區 域的拉伸殘留應力相較於圖 4.90 增加許多。由於兩塊銲板具有不同 的材料特性，故在降溫的過程中亦造成相互間的應力拉扯，因此在 SUS304 不銹鋼銲板上，其應力變化會因為 S15C 碳鋼銲板的作用，
而比同種銲接時的應力略大，這是因為在溫度 600-1200℃時，S15C 碳鋼與SUS304 不銹鋼均具有良好的塑性且有不同的應力變化速度，
故SUS 304 不銹鋼在升溫與降溫的過程中，受到 S15C 銲板的束縛作 用相對於同種SUS304 銲接時的束縛作用較大，因此其殘留應力便會 比同種 SUS304 銲接所產生的殘留應力大。同樣地，S15C 碳鋼在升 溫與降溫的過程中，均受到 SUS304 不銹鋼銲板強烈束縛，因此其所 產生的殘留應力便會比同種S15C 碳鋼銲接所產生的殘留應力小。
圖 4.92、圖 4.93、圖 4.94、圖 4.95、圖 4.96 分別為銲接 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 4.97 為銲接 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4.96 變化不大，即已趨於定值。
異種 SUS304 不銹鋼與 S15C 碳鋼對接銲之 σYY暫態熱應力分析 圖4.98 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4.99、圖 4.100、圖 4.101、圖 4.102 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4.103 為銲接 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 4.102 增加許多，而兩塊銲板的兩側之壓縮殘留應 力亦逐漸地增加。
圖 4.104、圖 4.105、圖 4.106、圖 4.107、圖 4.108 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
圖 4.109 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。
異種 SUS304 不銹鋼與 S15C 碳鋼對接銲之殘留應力分析與實驗
圖 4.110 與圖 4.111 分別為異種銲板冷卻至室溫時之 σXX與 σYY 銲接殘留應力分佈圖。同樣地，由σXX銲接殘留應力之分析結果可得 知，兩塊異種銲板在靠近銲道附近的區域均會產生較高的拉伸殘留應 力值，其大小可達到各銲板母材之降伏應力，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）亦發現在 SUS304 不銹鋼銲板上約有 20 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，且最大的拉伸殘留 應力相對於同種SUS304 不銹鋼銲接時略大，造成這樣的原因是由於 與S15C 碳鋼的接合，使得原本存留於 304 不銹鋼銲板的熱量可藉由 S15C 碳鋼的高熱傳導性而得以紓解，而導致 304 不銹鋼板件的所受 到的熱影響範圍變小，導致SUS304 不銹鋼之拉伸殘留應力區變小，
但受到S15C 碳鋼的束縛影響，使得 304 不銹鋼銲板接合處之拉伸殘 留應力因而變大。相對地，S15C 碳鋼銲板則因為吸收 SUS304 不銹
鋼銲板的額外熱量所致，造成S15C 碳鋼銲板熱影響區的加大，故在 本研究中可發現 S15C 碳鋼銲板上約有 18.4 mm 寬的拉伸殘留應力 區，且最高拉伸殘留應力比同種銲接時的拉伸殘留應力小。這些拉伸 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。同樣地，
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。本研究再此亦發現異種銲接 SUS304 不銹鋼與 S15C 碳鋼的兩塊 銲板，其各自銲板上最大σXX拉伸殘留應力值均大於最大σYY拉伸殘 留應力值的 2~3 倍，所得的結果亦與同種銲接時所觀察到的現象相 似，也就是說縱向拉伸殘留應力(σXX)是影響銲接結構強度的主因。
綜合圖 4.110 (b)與圖 4.111(b)之殘留應力分析結果與實驗數據的 比較可得知，本研究之有限元素模型可以準確模擬異種SUS304 不銹 鋼與S15C 碳鋼對接銲之銲件殘留應力的大小與分佈情形。
4.4 材料係數對於銲接殘留應力之影響
由同種與異種金屬銲接之分析結果可以得知，本研究所建構之有 限元素模型已得到驗證，且可看出材料系數對於銲接殘留應力具有某 種形式的影響，為進一步釐清材料係數與銲接殘留應力之間之關係，
討各材料系數與殘留應力之間的影響與規律。
討楊氏係數(E)、熱膨脹(α)與熱傳導(K)這三種材料係數對於平板銲接 304MPa 與 292MPa，而拉伸殘留應力區分別為 17.3mm 與 15.3mm，
與材料編號 1 (S15C 碳鋼)之拉伸應力區比較，可發現最大拉伸殘留應 力與拉伸殘留應力區會隨著熱膨脹係數的增加而呈線性增加。
圖 4.114 為僅變動材料系數熱傳導係數 K 的殘留應應力曲線圖，
圖中可以看出材料編號 6 與材料編號 7 之最大拉伸殘留應力分別為 292MPa 與 304MPa，而拉伸殘留應力區分別為 16.2mm 與 16.4mm，
與材料編號 1 (S15C 碳鋼)之拉伸應力區比較，可發現最大拉伸殘留應
4.4.3 降伏應力對於銲接殘留應力之影響
圖 4.115 為僅變動材料系數降伏強度 σY的殘留應應力曲線圖，圖 中可以看出材料編號 28 與材料編號 29 之最大拉伸殘留應力分別為 352MPa 與 244MPa，而拉伸殘留應力區分別為 15.3mm 與 17.3mm，
與材料編號 1 (S15C 碳鋼)之拉伸應力區比較，可發現最大拉伸殘留應
max 1 2 1/2y/Ltension2
第五章 結論
1. 在銲接電流為 110 A、電弧電壓為 13 V 及銲接速度為 5 mm/sec 之銲接條件下，可發現同種SUS304 不銹鋼銲板約有 23.2 mm 寬 的拉伸殘留應力區產生於靠近銲道附近的區域。同種 S15C 碳鋼 銲板約有16.3 mm 寬的拉伸殘留應力區產生於靠近銲道附近的區 域。
2. 在銲接電流為 110 A、電弧電壓為 13 V 及銲接速度為 5 mm/sec 之銲接條件下，可發現異種SUS304 不銹鋼銲板約有 20 mm 寬的 拉伸殘留應力區產生於靠近銲道附近的區域。異種 S15C 碳鋼銲 板約有 18.4mm 寬的拉伸殘留應力區產生於靠近銲道附近的區 域。
3. 綜合熱學模式之分析結果與實驗數據的比較可得知，在銲接電流 為110 A、電弧電壓為 13 V 及銲接速度為 5 mm/sec 之銲接條件 下，使用54 %的 GTAW 電弧效率可以準確模擬銲件溫度場的分佈 狀況。
4. 綜合力學模式之分析結果與實驗數據的比較可得知，本研究之有 限元素模型可以準確模擬銲件殘留應力的大小與分佈情形。
5. 最大拉伸殘留應力會隨著熱膨脹係數增加、降伏應力增加與熱傳 導係數減少而呈線性增加，且大部分取決於降伏應力值，楊氏係 數則無太大變化。
6. 拉伸殘留應力區會隨楊氏係數增加、熱膨脹係數增加、熱傳導係 數減少與降伏應力增加而呈線性增加。
7. 本研究所發展之平板銲接殘留應力預測公式，可快速且準確地預 測低碳鋼或不銹鋼等平板鋼材之銲接殘留應力分佈。
參考文獻
1. K. Masubuchi, Analysis of Welded Structures, Pergamon Press, Oxford, 1980.
2. S. Kou, Welding Metallurgy, John Wiley & Sons, Toronto, 1987.
3. Welding Handbook, 8th edn, Vol. 1, American Welding Society, Miami, 1987.
4. K. Easterling, Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1992.
5. H. Kihara and K. Masubuchi, “Effect of residual stress on brittle fracture”, Welding Journal Research Supplement, 38(4), pp.
159s-168s, 1959.
6. K. Masubuchi and D. C. Martin, “Investigation of residual stresses by use of hydrogen cracking”, Welding Journal Research Supplement, 40(12), pp. 553s-563s, 1961.
7. R. Robelotto, J. M. Lambase and A. Toy, “Residual stress in welded titanium and their effects on mechanical behavior”, Welding Journal Research Supplement, 47(7), pp. 289s-298s, 1968.
8. T. Toyooka et al., “Fatigue test of residual stress induced specimens in carbon steel”, Welding Journal Research Supplement, 64(1), pp.
29s-36s, 1985.
9. C.P. Chou and Y.C. Lin, “Improvement of Residual Stress by Parallel
Heat Welding in Small Specimens in Type 304 Stainless Steel”, Materials Science and Technology, 8(2), pp. 179-183, 1992.
10. Y.C. Lin and C.P. Chou, “Residual Stress Due toParallel Heat Welding in Small Specimens in Type 304 Stainless Steel”, Materials Science and Technology, 8(9),.pp. 837-840, 1992.
11. Y. C. Lin and C. P. Chou, “A New Technique for Residucing the Residual Stress”, Journal of Materials Processing Technology, 48, pp.
693-698, 1995.
12. S. Vaidyanathan, A. F. Todaro, and I. Finnie, “Residual Stresses Due to Circumferential Welds”, American Society of Mechanical
12. S. Vaidyanathan, A. F. Todaro, and I. Finnie, “Residual Stresses Due to Circumferential Welds”, American Society of Mechanical