第四章 結果與討論
4.1.5 EDS 成份分析
將銲接實驗後之試片取銲道橫切面作 EDS 成份分析，圖 4-6 與表 4-1 分別為其光譜與成份分析之結果。由圖4-6 中得知在添加 NiCO3活性助銲劑 與傳統電漿銲接之銲道光譜分析結果其圖形似乎有些類似。但從表4-1 成份 重量比觀察，加入NiCO3活性助銲劑後有些增碳及降低鐵含量之現象。此乃 銲接過程中因銲道能量密度提高導致部份活性助銲劑有被熔入或部份元素 被燃燒之現象所引起。
Without flux
NiCO3
圖4-6 PAW-Flux 銲接製程之 EDS 光譜分析結果
表4.1 PAW-Flux 銲接製程之 EDS 成份分析結果 Without flux NiCO3 flux
Element Weight, % Atomic,％ Element Weight, % Atomic,％
C 4.57 18.20 C 7.41 26.98
Ti 0.24 0.24 P － －
S － － S 0.02 0.02
Cr 0.22 0.20 Cr － －
Mn 0.37 0.32 Mn 1.59 1.27
Fe 94.83 80.78 Fe 90.18 70.62
Co 0.22 0.18 Co 0.17 0.13
Ni 0.10 0.08 Ni － －
Si － － Si 0.63 0.99
4.2 304 型不銹鋼
如4-7 圖顯示添加 MoO3 、MnO2 、TiO2 、SiO2、Cr2O3、Fe2O3及ZnO 等氧化物型助銲劑將可有效提高銲道深寬比，亦即可得到窄而深的銲道截 面。在圖4-7、4-8 中可明顯看出 SiO2氧化物助銲劑對304 不銹鋼銲道熔深 改善效果最為明顯，與不使用助銲劑時比較約可提升200﹪之熔深效果，深 寬比則提高約350﹪。換句話說，在厚板銲接時將可降低熱循環次數，減少
因多次銲接而造成材料機械性質之不良影響。
Without Flux MoO3 Flux MnO2 Flux
TiO2 Flux SiO2 Flux Cr2O3 Flux
Fe2O3 Flux ZnO Flux
Welding current 125A
Travelling speed 150mm/min
圖4-7 氧化物助銲添加劑對 304 不銹鋼電漿銲接銲道熔深之影響
0 Welding current 125A
Travelling speed 150mm/min
Depth/Width Ratio
圖 4-8 氧化物助銲添加劑對 304 不銹鋼電漿銲接銲道深寬比之影響
過母材厚度一半之情況下，當熔透深度增加時，由於其熱收縮應力相互抵 消之效應亦高，因此可降低銲件角變形。
此外，由圖4-9 中亦可觀察出分別添加 MoO3、MnO2、SiO2 、Cr2O3、 Fe2O3、Cr2O3及TiO2等氧化物型助銲劑時在75A 銲接電流參數條件下，其 銲道熔深(MnO2=2.18，, TiO2=2.02, Fe2O3=2.1, MoO3=2.28, mm)比較接近於 母材厚度一半，此時銲件之角變形均呈現最高值。根據Pavlovsky 等人[58]
與 Watanabe 等人的研究報告[58]指出，銲件最大角變形量一般發生於銲道 熔深／母材厚度的比值約為0.5 的情況下。關於此現象可解釋為當銲道熔深
／母材厚度的比值小於0.5 時，若銲道熔深愈小則意味著銲件將有較佳的抵 抗彎曲變形能力，因此會造成銲件角變形的降低；當銲道熔深／母材厚度 的比值大於 0.5 時，若銲道熔深愈大則意味著沿銲件厚度方向的溫差會愈 小，而沿銲件厚度方向溫差的降低則代表銲件整體的冷卻速率也會隨之降 低，亦即銲件在冷卻過程中可能會受到較均勻的熱收縮力作用，進而造成 銲件角變形的降低。因此，助銲劑的添加，除了改變熔池的表面張力，其 銲接熱源的能量密度也會愈集中，同時可減小作用於銲接金屬中的熱收縮 應力，因此提高銲接金屬整體的品質。
在 75A 銲接電流參數條件下，當添加 MnO2、TiO2、Cr2O3、Fe2O3 及 SiO2 等氧化物型助銲劑時，則會造成銲件角變形的增加，而其主要原因亦 可由圖 2-14 來加以探討。在銲道熔深未超過母材厚度一半之情況下，當銲
道產生熱收縮應力時，其銲道幾何形狀之圓弧中心點愈趨近銲件之中性
Welding Current(A)
Angular Distoration(degree)
without flux MoO3 Without flux MoO3
4.2.2 PAW 銲接參數對銲道熔融面積之影響
40 Without Flux
75A 100A 125A
75 100 125 150 175
Travel Speed (mm/min) 0
Weld Area (mm2)
4.2.3 銲接參數對銲道熔透深度之影響
10 Without Flux
75A 100A 125A
75 100 125 150 175
Travel Speed (mm/min) 0
Penetration (mm)
圖4-11 銲接參數對銲道熔透深度之影響
Without
含量之影響。由圖中可得知，當銲接電流高或者是銲接走速慢的參數條件 時，其銲道殘留肥粒相含量較高；此外，添加 SiO2活性助銲劑之銲道，其 肥粒相皆高於傳統電漿銲接製程。
在文獻[20-25]中指出肥粒相對於 S、P、Si 等有害雜質，具有較高溶解 度，使得固化時晶界的偏析現象大為減少，因此可減少熱裂產生。此外肥 粒相的熱膨脹係數比沃斯田相小，因此冷卻過程中，以主肥粒相凝固的銲 道將產生比較小的熱收縮力，因此在凝固的最後階段會減低產生裂縫的機 會。另，肥粒相在沃斯田組織中亦有細化晶粒之效果，從而增加晶界面積。
因此析出於晶界薄膜較薄，使裂縫不易產生，而且肥粒相與沃斯田相的相 界面非常崎嶇不規則，不像以單相存在之晶界那般平滑，因此在肥粒相－
沃斯田相相界上裂縫將遭受阻擋，難以傳播。但肥粒相組織的耐腐蝕性通 常較沃斯田相組織差，特別是在腐蝕能力較強的酸性溶液中，肥粒相組織 極易被溶解而產生孔蝕(pitting)的現象。
2
Without Flux 75A 100A 125A
75 100 125 150 175
Travel Speed (mm/min) 2
Ferrite Content (FN)
圖 4-13 銲接參數對銲道肥粒相之影響
硬度值。 此乃銲接電弧柱受到活性助銲劑的縮束效應，使得能量密度更集 中、銲道更窄，而使銲道之溫度梯度提升，形成銲道冷卻速度變快，因而 得到較高的銲道硬度值。
75 100 125 150 175
Travel Speed (mm/min) 140
Without Flux 75A 100A 125A
Vickers Hardness (HV)
SiO2Flux
Without Flux
圖4-14 銲接參數對銲道維氏硬度之影響
如表4.2 所示為電漿銲接製程對 304 不銹鋼銲道拉伸試驗之結果；其 試片之銲接參數為電流 125A，走速 125mm/min。結果顯示，添加 SiO2活 性助銲添加劑對沃斯田鐵型不銹鋼之拉伸強度有稍微增加之趨勢但影響並
表4.2 不銹鋼電漿銲接之拉伸試驗結果
FlFluuxx UTS(MPa) Elongation(%) Without flux 589.52 32.53
SiO2 flux 612.24
31.27
4.3 TIG 與 PAW 銲接特性比較 4.3.1 助銲劑對表面外觀之影響
(a) TIG weld (b) PAW weld 圖 4-15 SiO2 助銲劑 對不銹鋼銲道外觀之影響
圖 4-15 所示，為 304 型不銹鋼分別使用 TIG 與 PAW 銲接時其銲道之 表面外觀圖。圖4-15 (a)使用 SiO2助銲劑時，在銲道與母材之中間有明顯大 數量的銲渣產生，圖4-15 (b)中顯示令人滿意的銲道表面出現， 但仍產生 少量的銲渣。在此，經縮口噴嘴的電漿電弧提供了較集中的電弧能量來改 善噴射電離子方向的穩定性同時提供較高的熔化效率。因此，在PAW 銲接 時更能讓不銹鋼獲得良好的銲道外觀品質。
4.3.2 助銲劑對銲道型態之影響
圖 4-16 所示，為分別使用 TIG 與 PAW 時銲道型態圖，銲接電流為 125A。在圖中可明顯看出添加 SiO2助銲劑較不添加時銲道明顯的變窄且變 深。且相同銲接電流下PAW 之銲道熔深較 TIG 來的深且窄，主要由於電漿 銲接之電漿弧柱經過水冷噴嘴充分收束，所以與 TIG 電弧柱比較起來（圖 4-18、.圖 4-20.），弧徑較細，弧寬也較窄，因此熱集中度高，因而可獲得 窄而深之銲道形態。
圖4-17 為使用助銲劑與不添加助銲劑時之銲接電流與熔透深度之關係 圖。由圖可知，銲接走速相同下，銲道熔透深度與銲接電流成正比。很明 顯的是由於輸入熱量增加與電磁力的做用驅使而增加熔透效應，因此，最 典型的改善熔透深度的方法即為提高銲接電流。
Without flux SiO2 flux
TIG weld
PAW weld
圖 4-16 添加 SiO2助銲劑對 304 不銹鋼銲道型態之影響
50 75 100 125 150 Welding Current (A)
1
Penetration (mm)
PAW
TIG With flux
Without flux Travelling Speed : 150 mm/min
Flux： SiO2
TIG Without flux SiO2 flux
Plasma column
Anode spot
圖 4-18 添加助銲劑對於 304 不銹鋼 TIG 銲接時對電漿電弧柱 與陽極斑點之影響
關於活性助銲劑對銲道熔深形成機制之影響，在此可藉由銲池表面張 力梯度改變與電漿電弧柱收縮之電弧效應來加以探討與分析：
(1) 銲池表面張力梯度改變
根據Heiple 等人[45-49,63,64]的研究結果顯示，銲道熔透深度與熔融液 態金屬之流動狀態有著極密切的關係，其中熔融液態金屬的流動方向主要 是受到銲池表面張力梯度之影響。至於銲池表面張力梯度效應主要則取決 於銲池表面張力之溫度係數(dγ／dT)，其中銲池表面張力之溫度係數的正負 值係取決於有無添加活化元素。在純金屬或銲池中不存在活化元素時，銲 池表面張力一般隨溫度的升高而減小（亦即銲池表面張力之溫度係數為負 值），因此熔融液態金屬將會形成由銲池中央向銲池外緣流動的表面張力
流(outward flow)，進而形成寬而淺的銲道截面形狀（如圖 2-15(a)所示）。
然而，當銲池中存在有活化元素時，銲池表面張力則會隨溫度的升高而增 加（亦即銲池表面張力之溫度係數為正值），因此熔融液態金屬將會形成 由銲池外緣向銲池中央流動的表面張力流(inward flow)，進而形成窄而深的 銲道截面形狀（如圖 2-15(b)所示）。在活性化銲接製程技術中，其基本理 論乃認為熔融液態金屬的流動狀態係決定銲接金屬幾何形狀的主要因素，
而銲池表面張力梯度則是驅使熔融液態金屬流動的關鍵因素。當熔融金屬 存在有活性化元素時（即添加活性助銲劑），除了會降低熔融液態金屬的 表面張力外，且會改變表面張力之溫度係數為正值，進而使熔融液態金屬 形成由銲池外緣向銲池中央流動的表面張力流。當銲池中央區域的電弧熱 量藉由熔融液態金屬的流動直接傳遞至銲池底部，使銲池底部的熔化效率 大幅提昇，進而可提高銲道熔透深度。
(2) 電弧效應與銲池熔融緊縮
如圖 4-18 所示，在活性化銲接過程中，可明顯發現電漿電弧柱會產生 收縮現象，而此電漿電弧柱收縮現象將可有效集中電弧熱量，進而使銲道 熔透深度增加。由於電漿電弧中心區域的溫度要遠高於分子解離溫度，因 此活性助銲劑在高溫電漿噴射流的作用下，氣體與助銲劑原子將會產生電 離而形成電子與正離子。然而在相對溫度較低的電漿電弧柱外圍區域，活 性助銲劑中被蒸發的物質仍會以分子或解離原子的形態存在，且解離原子
將會大量地吸附電漿電弧柱周邊區域中的電子而形成負離子，使得電漿電 弧柱周邊區域中作為主要導電物質的電子數急劇減少，亦即會降低電漿電 弧柱之導電能力或縮小電漿電弧柱之導電面積，進而迫使電漿電弧柱產生 收縮現象，而此現象將可有效集中電弧熱量，進而使銲道熔透深度增加。
同時，在活性化銲接過程中，除了可發現電漿電弧會產生收縮現象外，
同時，在活性化銲接過程中，除了可發現電漿電弧會產生收縮現象外，