4-1 助銲劑對銲道外觀之影響
將 6061 鋁合金試片塗敷各種助銲劑後，再根據表 3-5 之銲接參數來進 行 FB-MIG 銲接實驗。塗敷單一型助銲劑的 FB-MIG 銲接製程對銲道外觀 影響的實驗結果如圖 4-1 所示，塗敷混合型助銲劑(50%+50%)的 FB-MIG 銲 接製程對銲道外觀影響的實驗結果則如圖 4-2 所示。銲接方向皆為由右到 左，右邊的前 30mm 為沒有塗敷助銲劑區域，左邊 70mm 為塗敷助銲劑區 域，如圖 3-3 所示，以方便做比較。
由圖 4-1 可得知除了塗敷 MgCO3的銲道和未塗敷助銲劑的外觀並無差 異外，其餘助銲劑皆會使銲道有些許固體夾渣(Solid inclusions)和氣孔出現，
並且在銲道附近都有些許飛賤物，其中又以塗敷 SiO2、MoO3的固體夾渣情 形最為嚴重；塗敷 Na2CO3的銲道有緊縮之現象；塗敷 Fe2O3、SiO2、MoO3
的銲道有寛度不均勻之情形。
由圖 4-2 可看到塗敷了混合助銲劑後銲道上固體夾渣和氣孔變的較少；
塗敷 MgO+Na2CO3的銲道有寛度不均勻之情形；塗敷 MgO+MoS2可使銲道 變寛；而在有添加 ZnO、Na2CO3兩種成份的混合型助銲劑的銲道周圍，其 表面會有由銲線融化的液態金屬流動造成樹枝狀的分佈情形，此情形於混 合助銲劑中塗敷 ZnO+MoS2、ZnO+Na2CO3、MgO+Na2CO3、MoS2+Na2CO3
之銲道周圍可看到，其中又以 ZnO+Na2CO3最為明顯。
51
Without Flux ZnO
MgO CaF2
MoS2 Fe2O3
SiO2 MnO2
MoO3 TiO2
Na2CO3 NiO
MgCO3 Cr2O3
圖 4-1 單一型助銲劑之銲道外觀
52
ZnO+MgO ZnO+MoS2
ZnO+Na2CO3 MgO+ MoS2
MgO+Na2CO3 MoS2+Na2CO3
圖 4-2 混合型助銲劑(50%+50%)之銲道外觀
53
4-2 助銲劑對銲道形態之影響
4-2-1 單一型助銲劑對銲道熔深、寛度與深寛比之影響
塗敷單一型助銲劑之試片經由 FB-MIG 銲接後，其銲道型態如表 4-1 及圖 4-3、圖 4-4、圖 4-5 所示。由圖 4-4 可知所使用的單一型助銲劑裡除了 TiO2、CaF2及 Cr2O3以外皆可改善銲道之熔深；由圖 4-5 可知所使用的單一 型助銲劑裡除了 Fe2O3及 TiO2以外皆可改善銲道之深寛比。根據章節 2-3-2 之探討，活性助銲劑一般為金屬的氧化物，是電的絕緣體，即使氧化物的 阻抗會隨著溫度的增加而降低，但仍顯著大於液態的熔池，因此助銲劑的 效用為在熔池的外圍區域增加一層高電子阻抗區，在熔池中央會有較高的 電流密度及表面熱能，使靠近銲道中央之助銲劑因高熱揮發，露出母材金 屬，使熔池緊縮，造成銲道熔深增加。
由表 4-2 可得知，當添加單一型活性助銲劑時，在銲道熔深方面，以 MoS2與 Na2CO3可以改善銲道的熔深高達 56%為最有效果的兩種助銲劑；
其次為 ZnO (42%)；MgO、MoO3 (36%)。銲道深寛比方面，則以 Na2CO3
可以改善銲道的深寛比高達 150%為最有效果的助銲劑；其次為 ZnO (67%)；
MoS2 (56%)；MgO (50%)。
而由圖 4-3 可看出塗敷了 Fe2O3、MoO3及 Cr2O3三種單一型助銲劑之試 片的 HAZ 有明顯變大之現象。
54
表 4-1 單一型助銲劑對銲道形態之影響
Without
Flux ZnO MgO CaF2 MoS2 Fe2O3 SiO2 銲道熔深
(mm) 1.20 1.70 1.63 1.20 1.87 1.46 1.38 銲道寛度
(mm) 6.6 5.6 5.9 4.7 6.6 8.1 5.3
熔深提升比例 - 42% 36% 0% 56% 22% 15%
銲道深寛比 0.18 0.30 0.27 0.25 0.28 0.18 0.26 深寛比
提升比例 - 67% 50% 39% 56% 0% 44%
MnO2 MoO3 TiO2 Na2CO3 NiO MgCO3 Cr2O3 銲道熔深
(mm) 1.46 1.63 1.14 1.87 1.38 1.38 1.22 銲道寛度
(mm)
5.7 6.8 6.5 4.1 6.5 6.6 6.0
熔深提升比例 22% 36% -5% 56% 15% 15% 1%
銲道深寛比 0.26 0.24 0.17 0.45 0.21 0.20 0.20 深寛比
提升比例 44% 33% -6% 150% 17% 11% 11%
55
圖 4-3 塗敷單一型助銲劑之銲道剖面圖 1
Without Flux ZnO MgO
CaF2 MoS2 Fe2O3
SiO2 MnO2 MoO3
TiO2 Na2CO3 NiO
MgCO3 Cr2O3
56
圖 4-4 單一型助銲劑對銲道形狀之影響
圖 4-5 單一型助銲劑之銲道深寛比
57
58
ZnO+MgO ZnO+MoS2 ZnO+Na2CO3
MgO+ MoS2 MgO+Na2CO3 MoS2+Na2CO3
圖 4-6 塗敷混合型助銲劑之銲道剖面圖
圖 4-7 混合型助銲劑對銲道形狀之影響
59
圖 4-8 混合型助銲劑之銲道深寛比
60
4-3 助銲劑對銲道微硬度之影響
依照章節 3-9 之規範，來進行試片微硬度量測。由圖 4-9 的母材微硬度 分佈可知，母材的硬度分佈在 100~120 HV(Hardness Vickers)之間，平均硬 度約 110HV。圖 4-10 到圖 4-23 為未塗敷助銲劑與塗敷單一型助銲劑之試片 的微硬度分佈曲線圖。由圖 4-24、圖 4-25 可看出塗敷單一型助銲劑對 6061 試片之微硬度並無太大的影響，只對銲道和 HAZ 之寛度有所影響。
以圖 4-10 未塗敷助銲劑之微硬度分佈曲線為例子，由於銲道中熔填的 金屬為 Er4043 銲線，其原始的微硬度值最高約為 75HV，在銲接後硬度會 下降，銲道的微硬度會遠比銲道外的微硬度低。在熔融線旁(約 2.5mm 處) 因最接近銲道，所受的熱最高，其晶粒會因受高熱作用而凝聚成粗大的顆 粒，使機械性質變差；另外在熔融線外有一地區(約 5.5mm 處)硬度呈現下 降之現象，是因此處的析出物往晶粒中心聚集合併，使材料變為過時效狀 態，機械性質最差。
由圖 4-24 可得知銲後試片所測得之微硬度和母材硬度值比較，是明顯 下降的，針對此部份，由於 6061 鋁合金與 Er4043 填料皆為可熱處理之合 金，因此可運用銲後全程熱處理(固溶處理+人工時效)的方式改善[48]。
圖 4-9 微硬度分佈曲線 – 未銲接之母材
61
圖 4-10 微硬度分佈曲線 – 未塗敷助銲劑
圖 4-11 微硬度分佈曲線 – ZnO
圖 4-12 微硬度分佈曲線 – MgO
62
圖 4-13 微硬度分佈曲線 – CaF2
圖 4-14 微硬度分佈曲線 – MoS2
圖 4-15 微硬度分佈曲線 – Fe2O3
63
圖 4-16 微硬度分佈曲線 – SiO2
圖 4-17 微硬度分佈曲線 – MnO2
圖 4-18 微硬度分佈曲線 – MoO3
64
圖 4-19 微硬度分佈曲線 – TiO2
圖 4-20 微硬度分佈曲線 – Na2CO3
圖 4-21 微硬度分佈曲線 – NiO
65
圖 4-22 微硬度分佈曲線 – MgCO3
圖 4-23 微硬度分佈曲線 – Cr2O3
66
圖 4-24 單一型助銲劑微硬度分佈曲線
圖 4-25 單一型助銲劑之微硬度平均值
67
Without flux TCL# =28.5 mm
68
SiO2
TCL# = 21.6 mm
MnO2
TCL# = 15 mm
MoO3
TCL# = 15.5 mm
TiO2
TCL# = 15.2 mm
Na2CO3
N/A
NiO TCL# = 15.5 mm
MgCO3
TCL# = 47 mm
Cr2O3
TCL# = 21 mm
MgO(75%)+ZnO(25%) TCL# =14.1 mm
圖 4-26 活性助銲劑添加對熱裂敏感性之影響(續)
69
4-5 助銲劑對銲道顯微組織之影響
圖 4-27 為未銲接母材之金相觀察，由 500X 倍率金相圖可看到未銲接 前呈現塊狀組織且有些許黑色析出物，此黑色析出物為 Mg2Si[49]，一般來 說當 Mg2Si 在合金中含量大於 0.6wt%之後便會有析出硬化之效果，鋁合金 6061 為析出強化型合金，即是藉由適當的熱處理析出 Mg2Si 來達到強化的 效果，但是愈多的 Mg2Si 會造成耐腐蝕性下降，因此在強度與耐腐蝕性之 間的選取需要依照使用需求來衡量。另外由 1000X 倍率金相圖可看出 Mg2Si 是沿著晶界析出。
圖 4-28 為未塗敷助銲劑與塗敷單一型助銲劑之試片顯微組織觀察。銲 道為 Er4043 填料合金，銲接後呈現樹枝狀組織其強度較低；熱影響區因受 熱呈現被拉長的柱狀組織且夾帶著些許的 Mg2Si；經由圖 4-28 各組試片之 顯微組織比較後，可看出未塗敷助銲劑與塗敷單一型助銲劑之金相結構皆 大致相同，可證實塗敷助銲劑並不會改變其顯微組織。
未銲接之 母材
500X 1000X
圖 4-27 未銲接之母材試片金相觀察
70
Without flux
銲道(500X) 熱影響區(500X)
ZnO
銲道(500X) 熱影響區(500X)
MgO
銲道(500X) 熱影響區(500X)
CaF2
銲道(500X) 熱影響區(500X)
圖 4-28 塗敷單一型助銲劑之試片金相觀察
71
MoS2
銲道(500X) 熱影響區(500X)
Fe2O3
銲道(500X) 熱影響區(500X)
SiO2
銲道(500X) 熱影響區(500X)
MnO2
銲道(500X) 熱影響區(500X)
圖 4-28 塗敷單一型助銲劑之試片金相觀察(續)
72
MoO3
銲道(500X) 熱影響區(500X)
TiO2
銲道(500X) 熱影響區(500X)
Na2CO3
銲道(500X) 熱影響區(500X)
NiO
銲道(500X) 熱影響區(500X)
圖 4-28 塗敷單一型助銲劑之試片金相觀察(續)
73
MgCO3
銲道(500X) 熱影響區(500X)
Cr2O3
銲道(500X) 熱影響區(50X)
圖 4-28 塗敷單一型助銲劑之試片金相觀察(續)
74
4-6 應用田口方法最佳化銲接參數
4-6-1 田口實驗參數對銲道型態之影響
根據章節 3-11 之田口直交表和參數配置來進行田方最佳化實驗，採用 FB-MIG 對接，銲後試片取樣位置如圖 4-29 所示，圖 4-30 則為田口實驗各 組試片之銲道形態，可看出有塗敷助銲劑之試片銲道熔深較未塗敷助銲劑 之試片深。表 4-3 則為田口實驗試片不同取樣位置之銲道深寛比、熔深、寛 度及熔融面積。
圖 4-29 銲接試片取樣位置示意圖
75
組別 Without flux A 點 B 點
1-1
1-2
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
5-2
6-1
圖 4-30 田口實驗試片之銲道剖面圖
76
6-2
7-1
7-2
8-1
8-2
9-1
9-2
圖 4-30 田口實驗試片之銲道剖面圖(續)
77
78
79
80
81
82
83
84 of squares
貢獻度%
85
86
A1B1C1D3確認實驗
試片編號 Without flux A B
一
二
三
四
A2B1C1D3確認實驗
Without flux A B
一
二
三
四
圖 4-36 確認實驗試片之銲道剖面圖
87
88
表 4-16 確認實驗之塗敷助銲劑與未塗敷助銲劑之銲道形態比較 A1B1C1D3確認實驗
Without flux With flux
熔深 熔宽 深宽比 熔融面積 熔深 熔宽 深宽比 熔融面積
4.84 7.40 0.66 17.71 5.66 7.99 0.71 19.32
與 without flux 比較提升之百分比 16.98% 8.03% 7.83% 9.12%
S/N 15.02 18.01 -3.03 25.65
A2B1C1D3確認實驗
Without flux With flux
熔深 熔宽 深宽比 熔融面積 熔深 熔宽 深宽比 熔融面積
5.35 7.73 0.69 19.07 6.18 8.21 0.75 22.65
與 without flux 比較提升之百分比 15.59% 6.23% 8.44% 18.74%
S/N 15.76 18.27 -2.52 27.03
確認實驗機械性質分析
由圖 4-37 確認實驗試片之平均硬度值可觀察出四種參數的試片其平均 硬度非常接近，可證實塗敷助銲劑和應用田口方法並不會降低其微硬度。
銲後試片微硬度與未銲接母材試片平均硬度 110HV 相比，整體強度約降低 30%，可經由銲後全程熱處理(固溶處理+人工時效)的方式改善[48]。
89
圖 4-37 確認實驗試片之微硬度平均值
圖 4-38 為確認實驗試片之顯微組織拍攝位置示意圖，圖 4-39 為金相拍 攝結果，可由此觀察到試片之銲道皆呈現樹枝狀組織其機械性質較差；銲 道邊緣受熱高使晶粒粗大，因此機械性質最差；熱影響區受熱較少呈現拉 長的柱狀組織夾帶一些黑色析出物(Mg2Si)，此析出物可使硬度增加；母材 為較細小的柱狀組織且黑色析出物更多，因此機械性質較好；而由於 6061 鋁合金為析出強化型合金，因此可藉由熱處理，令更多的 Mg2Si 析出，使 其強度改善。
圖 4-38 金相拍攝位置示意圖
90
A1B1C1D3
without flux
銲道 銲道邊緣
熱影響區 母材
A1B1C1D3
with flux
銲道 銲道邊緣
熱影響區 母材
圖 4-39 確認實驗試片金相(500X)
91
A2B1C1D3 without flux
銲道 銲道邊緣
熱影響區 母材
A2B1C1D3 with flux
銲道 銲道邊緣
熱影響區 母材
圖 4-39 確認實驗試片金相(500X)
92
93
初始條件 Without flux
初始條件 50%+50%
A1B1C1D3 Without flux
A1B1C1D3 With flux
A2B1C1D3
Without flux
A2B1C1D3
With flux
圖 4-40 拉伸實驗試片斷裂圖
圖 4-41 至圖 4-46 為在 100 與 500 倍率的 SEM 下觀察各拉伸試片破斷 面，由圖 4-41(b)至圖 4-46(b)可看出所有試片破斷面型態主要呈現脆性破壞，
少部份地方有延性破裂的韌窩狀組織(dimples)。由圖 4-41(a)、圖 4-42(a)可 看出初始條件之試片有明顯的氣孔分佈，圖 4-43(a)、圖 4-44(a)、圖 4-45(a)、
圖 4-46(a)田口最佳化之試片則較少氣孔分佈，由章節 2-1-4 氣孔對機械性質 之影響可得知此為造成初始條件之試片抗拉強度較低之原因。
94
圖 4-41 初始條件拉伸試片破斷面(Without flux)
圖 4-42 初始條件拉伸試片破斷面(50%+50%)
(a) (b)
(a) (b)
95
圖 4-43A1B1C1D3參數拉伸試片破斷面(Without flux)
圖 4-44A1B1C1D3參數拉伸試片破斷面(With flux)
圖 4-44A1B1C1D3參數拉伸試片破斷面(With flux)