二、 文獻回顧
2.12 鈦及鈦合金銲接
2.12.1 鈦及鈦合金銲接特性
一般而言，純鈦及α型鈦合金銲接性良好；含過量β相之鈦合金 則銲接性較差；Ti-6Al-4V(α＋βtype)以及含微量β穩定相元素之 鈦合金具有可銲性，但對含有多量β穩定相元素之鈦合金則銲後易產 生脆化現象。鈦是一種非常活潑的金屬，由於表面形成緻密的氧化層 膜，使鈦在常溫下很穩定。但是在高溫下，鈦則有強烈的吸氫、氧、
氮的能力。空氣中鈦在 250℃開始吸氫，500℃開始吸氧，600℃開始 吸氮。隨著溫度提高，鈦吸收氣體的能力更強。氧、氮都是α穩定化 元素，當其含量較少時，都作為間隙型(Interstitial)元素固溶在鈦 中，使鈦的強度、硬度提高，而塑性急遽下降。氮的作用比氧更強〔25〕。 鈦合金銲接時，環境條件的要求非常嚴苛，為避免空氣中的氫、
氧、氮的污染，其氣氛要求非常潔淨，尤其在溫度超過 427℃(800℉) 時，更需施以高度純淨的氣氛保護；對銲道開槽處及施銲周圍、銲條 等亦需作銲前清潔處理。鈦及鈦合金因熔點高、比熱容小且熱導率 低，銲接時會使銲道和熱影響區在高溫下的停留時間增長，而使β晶 粒長大，且無法利用銲後熱處理來細化(只能利用冷加工後，進行再 結晶熱處理方法來細化)。銲道金屬及熱影響區會在銲接熱循環的作
用下發生相變化，而引起組織上的變化以及銲接接頭性質的變化。大 多數的β型鈦合金在銲後，最好不要施以時效或應力消除處理，因時 效或應力消除銲後處理會產生時效脆化現象，容易造成銲道或熱影響 區延性及韌性惡化，甚至產生脆裂。
Ti-6Al-4V(α＋βtype)型在退火狀態或固溶狀態加上部份時效 條件下施行銲接，而銲後應力消除則另具有時效處理之效果。而對α +β型鈦合金而言，其銲接區會產生各種非平衡組織。如 Ti-6Al-4V、
Ti-6Al-6V-2Sn 及 Ti-2Al-1.5Mn 等，會出現α麻田散體組織。除了 上述之α麻田散體組織外，當鈦合金的麻田散體相變結束的溫度 Mf 降至室溫以下時，會有部分過冷的β相來不及轉變為麻田散體相而殘 留下來，稱為β相(也稱為亞穩態β相)。對大多數之α＋β型鈦合金 銲接而言，其銲後延展性會較差的原因主要是因在銲道(weld Zone) 或在熱影響區(HAZ)上產生相變態的關係〔24〕。
對 Ti-6Al-4V 銲接而言，其銲條可選擇與母材同成份的 ER Ti-6Al-4V；而低雜質成份(低 O、H2 2、N2 和 C 含量)的 ER Ti-4Al-4V-ELI 銲條除可保有強度外，亦可提高銲接延性及品質；若不考量強度而著 重在銲後延性及韌性，則可選擇純鈦(Unalloyed Ti)銲條。
鈦及鈦合金一般均具有良好的可銲性，其特點如下：
1.易吸收氮、氫、氧等氣體，使銲道金屬的硬度增加，延伸率減小，
導致銲接件塑性急劇下降。
2.易氧化。熔銲時，銲道及熱影響區由於加熱溫度和保護氣純度的不 同，使表面呈現不同的氧化顏色。溫度愈高、氣體純度愈低其氧化 嚴重。
3.易變形。由於鈦及鈦合金的彈性模數低、線膨脹係數、導熱係數小，
故在同樣應力作用下，鈦銲接時變形比鋼要大一倍。
4.銲道較寬。鈦的導熱係數和容積比熱均小，在同樣熱源功率下，鈦 合金的熔池尺寸要增大。熔池的長度約比不鏽鋼大 1.5 倍，比碳 鋼大 2.3 倍，比鋁大 16 倍。故在同樣銲接條件下，鈦合金的銲道 較寬。
5.β相晶粒有長大和過熱傾向。鈦及鈦合金銲接一個重要的特點是β 相晶粒在加熱時有過熱和長大傾向。由於鈦的導熱係數和容積比熱 量小，使銲接熔池有很高的溫度，若在高溫停留時間稍長，冷卻速 度過慢，就會使高溫β相晶粒長大，生成過熱組織，使塑性降低。
6.易形成脆性的α’相。鈦的淬火傾向大，在銲接熱循環的作用下，
加熱到β相區再冷卻下來易得到針狀α’相組織—麻田散組織，性 能較差。因此，必須選擇合適的銲接規範，以便使過熱傾向和淬火 傾向相對地減小些。由於鈦在高溫時的化學活性很強，銲接時所生 的高溫會促使鈦與空氣或其他元素進行化學反應，結果導致銲接的
脆性。因此，銲接時必須要有充足的氣氛保護或在真空中銲接，以 阻絕鈦與空氣反應；而少量的插入型固溶原子會造成機械性質明顯 的變化，與銲接有關的插入型元素有碳、氮、氧及氫。
當這些元素的濃度或含量增加時，會顯著降低銲接的延性及韌 性。一旦步入高溫，則氧、氮及氫的固溶度便增大。當這些元素進 入鈦金屬內，即成為硬化及脆化的主因，故銲接鈦時就自然格外困 難。鈦的銲接其實與不銹鋼的銲接很類似，僅有兩點較明顯的不 同，即鈦需要更高的清潔度及必須使用惰性輔助氣體保護。而高於 650℃ (1200℉)的溫度時，氧、氮及氫這些污染氣體會使鈦金屬脆 化，所以無法經由氧-乙炔銲或其他使用活性氣體、被覆銲條以及 銲藥的銲接方法得到延性銲道。一般較常使用於鈦金屬的銲接方法 包括氣體鎢極電弧銲(GTAW)、氣體金屬電弧銲(GMAW)或電槳電弧銲 (PAW)等〔11〕均需配合完善的惰性氣體保護方能銲接鈦金屬，而 在真空艙內進行之電子束銲接(EBW)更能得到完美的銲道品質及銲 接強度。表 14 係針對適用鈦合金的各種銲法及特性予以解說。 對 於鈦合金的銲接，其熱輸入應儘可能的降低，一般而言，較高的銲 接速度可以導致較低的熱輸入，而在一定的銲接速度下，較高的銲 接電流或電壓將導致較高的熱輸入，而保護氣體則以使用氦氣所得 之熱輸入較氬氣為低，EB 銲可以獲得最低之熱輸入，其次是 TIG 再 其次是 MIG〔11〕。
表 14 鈦合金的各種銲法及特性
鈦合金中最常用的 Ti-6Al-4V，其銲接性相當好，表 15 為各種鈦合 Ti-6Al-4V ELI Ti-7Al-4Mo
Ti-13V-11Cr-3Al B
* A：非常好 B：良好 C：指定使用 D：不好
析出硬化型材料 HAZ 說明圖
圖 8 析出硬化型材料 HAZ 說明圖