第三章 實驗方法與程序
3.2 銲接詴片之準備
本研究所採用的實驗材料為鎳基超合金 Inconel 718 (UNS N07718, AMS 5596-E, HT-2180-4-9781)，其合金元素成份如表 3-1，詴片尺寸為 100×50×6.35 mm。在銲接過程中，所更的實驗詴片均採無束縛固定方式 (constraint-free)，進行 Bead-on-Plate 銲接實驗。在進行銲接實驗前，先將超 合金 Inconel 718 詴片表面的氧化物與油污利用砂輪研磨機裝上#200 砂輪予 以拋光，再以丙酮清潔乾淨，如圖 3-2 所示。
表 3-1 超合金 Inconel 718 之合金元素成份表(wt%)
Ni Cr Nb+Ta Mo Ti Al Co C Mn Si Fe 55.0 21.0 5.5 3.3 1.15 0.8 1.0 0.05 0.35 0.35 Balance 表中所含成份表最大量
(a)拋光前 (b)以砂輪研磨機拋光後
圖 3-2 拋光前後之超合金 Inconel 718 詴片外觀 3.3 助銲劑之選擇與配製方法
此研究參閱本實驗室學長黃和悅博士[3]，於 AISI 304 不銹鋼 TIG-Flux 研究中的 27 種助銲劑，挑出其中 8 種深寬比大於 0.7 之助銲劑，用於超合 金 Inconel 718 上進行實驗，8 種助銲劑的成份為 SiO2、NiO、MoS2、MoO3、 Cr2O3、TiO2、MnO2 及 ZnO。所用之助銲劑採用日本詴藥工業株式會社所 生產，粉末粒度為#400 號。
助銲劑配製方式為以微量天平量取 2 克之單一成份助銲劑粉末，置於 砵內研磨均勻後(如圖 3-3 所示)，加入 5 ml 的丙酮或甲醇溶劑混合成糊狀，
接著再利用#10 號扁平水彩筆將此糊狀之助銲劑均勻塗敷於欲進行銲接測 詴之處，塗敷範圍為 100×14 mm，如圖 3-4 所示；助銲劑塗敷量如表 3-2
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所示，塗敷厚度以能遮蓋待銲工件表面金屬光澤為宜，待溶劑揮發後，銲 藥即附著於銲道上，然後再進行銲接實驗。
(a)微量天平
LIBROR EB-330DU
(b)砵、助銲劑、搗棒 (c)甲醇、丙酮、
水彩筆、燒杯 圖 3-3 助銲劑配製之工具
圖 3-4 超合金 Inconel 718 詴片尺寸及助銲劑塗敷位置示意圖
表 3-2 助銲劑塗敷量-以甲醇與丙酮為溶劑
SiO2 NiO MoS2 MoO3 Cr2O3 TiO2 MnO2 ZnO 甲醇 1.24 1.43 1.26 1.58 0.51 0.56 0.71 0.41 丙酮 0.76 0.74 1.02 0.83 0.77 0.21 0.58 0.36 單位：mg/mm2
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3.4 銲接參數之配置
本實驗 TIG 氰銲設備採用 HOBART TIGWAVETM 350 AC/DC 氰銲機與 ProArc 可數位控制走速的銲接台車，如圖 3-5 所示。銲接方法採用不加填 料金屬並採 Bead-on-Plate 實驗，其中鎢電極材料為 EWTh-2 （直徑為 3.2 mm），並選用 7 號陶瓷罩杯(如圖 3-6)，鎢電極伸出噴嘴的距離為 3 mm，鎢 電極至實驗詴片的距離為 2~3 mm，鎢電極角度為 60o，保護氣體為氰氣，
流量為 14 Liter/min.。此外，為確保實驗結果的準確性，在進行每一次銲接 實驗前均使用鑽石研磨器(如圖 3-7)重新研磨鎢電極呈標準形式，且重新調 整鎢電極至標準長度，以保證每一條銲道均在相同製程參數條件下來進行 銲接研究工作。本實驗的銲接參數中銲接電流為 170 A~200 A；銲接走速為 75 mm/min~150 mm/min；詳細銲接參數之配置如表 3-3 至表 3-6 所示。
圖 3-5 HOBART TIGWAVE 350 氰銲機與 ProArc 數位控制銲接台車
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圖 3-6 鎢棒、夾頭、夾頭套及瓷杯 圖 3-7 鎢棒研磨機
表 3-3 之銲接參數為評估熱輸入量大於 14 KJ/min 時，銲接電流對銲道 外觀之影響；表 3-4 之銲接參數為評估熱輸入量小於 14 KJ/min 時，銲接電 流對銲道形態之影響。
表 3-3 實驗#1 之銲接參數-助銲劑 SiO2
銲接 銲槍 電弧 氰體 電極 鎢棒 母材 鎢棒伸出 電流 走速 長度 流量 外徑 角度 厚度 罩杯長度
(A) (mm/min) (mm) (ℓ/min) (mm) (度) (mm) (mm)
170, 200 75-125 3.0 14 3.2 60 6.35 3
表 3-4 實驗#2 之銲接參數-無助銲劑
銲接 銲槍 電弧 氰體 電極 鎢棒 母材 鎢棒伸出 電流 走速 長度 流量 外徑 角度 厚度 罩杯長度
(A) (mm/min) (mm) (ℓ/min) (mm) (度) (mm) (mm)
150, 170, 190 150 2.0 14 3.2 60 6.35 3
表 3-5 及表 3-6 之銲接參數為評估在固定參數下，不同助銲劑對銲道之 影響。於單一助銲劑實驗中取深寬比及熔深最佳之前四種助銲劑，將四種 助銲劑各以 50%之重量比例兩兩混合後，再用相同銲接參數進行實驗，以 評估混合型助銲劑對銲道之影響。混合型助銲劑之塗敷量列於表 3-7。
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#600、#800、#1200、研磨至#2000 號。再用圖 3-11 之拋光機與氧化鋁粉拋 光，由顆粒 1 μm 拋光至 0.3 μm，經拋光完成後的詴片，必頇以清水與酒精 清洗乾淨並用吹風機吹乾。然後將金相詴片採用 CH3OH(40 ml) + HCl (35 ml) + CuCl2(2g)予以腐蝕，腐蝕時間約 240 秒鐘，腐蝕完之詴片如圖 3-12 所示。最後用圖 3-13 之光學顯微鏡(ZEISS Axioskop 40)拍照。
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圖 3-8 超合金 Inconel 718 超合金詴片銲道取樣位置示意圖
圖 3-9 熱鑲埋機 Struers LaboPress-3 圖 3-10 研磨機 MATASERV 2000
圖 3-11 拋光機 Jean Wiriz PHOENIX 圖 3-12 腐蝕後詴片
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圖 3-13 光學顯微鏡 ZEISS Axioskop 40
圖 3-14 實體顯微鏡 OLYMPUS S2-PT 3.7 銲道深寬比量測
銲道深寬比取樣位置為圖 3-8 中之 A、B 及 C 區。這些詴片經熱鑲埋、
研磨、拋光、腐蝕後，利用圖 3-14 之實體顯微鏡量測銲道之熔深（Depth）
及寬度（Width）後，以熔深與寬度之比值，簡稱深寬比(D/W ratio)作為銲 道熔深特性之評估指標，圖 3-15 所示為銲道形狀之量測方式示意圖。
(a)部份熔透 (b)完全熔透 (c)完全熔透(銲道凹陷) 圖 3-15 銲道形態量測示意圖
3.8 銲道外觀拍攝
為瞭解各種助銲劑對詴片銲後之表面品質狀況，本實驗利用數位相機 來拍攝銲道表面之情況，並且分析其銲道外觀平整性與飛濺物之形態。
3.9 電弧形狀與陽極斑點拍攝
為瞭解活性助銲添加劑對氰銲銲接電弧及陽極斑點之影響，在進行 TIG-Flux 銲接實驗時，另架設一 CCD 影像擷取系統，並採訊號同步接收之
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方式來記錄電弧及陽極斑點影像，如圖 3-16 所示，藉以探討 TIG-Flux 銲接 製程對電漿電弧收縮與熔融銲池緊縮之影響行為與作用機制。
圖 3-16 電弧形狀及陽極班點拍攝 圖 3-17 電弧電壓拍攝 3.10 電弧電壓記錄
為瞭解活性助銲添加劑對氰銲銲接電弧電壓之影響，在進行 TIG-Flux 銲接實驗時，另架設如圖 3-17 之 CCD 影像擷取系統，並記錄銲接電弧電壓 的變化，藉以探討 TIG-Flux 銲接製程之電弧電壓變化對銲道形態之影響。
3.11 微硬度詴驗
本研究測量銲道硬度時，採用 FUTURE-TECH FM-700 微硬度測定機，
如圖 3-18 所示。依據 ASTM E384 之規範，詴驗荷重採 500 公克，荷重加 壓時間為 10 秒鐘，而量測位置則為距銲件表面下 1 mm 處，且每點間隔 0.5 mm 測量硬度，最後再將量測之值記錄，並繪製成硬度分佈曲線。
圖 3-18 微硬度機 FUTURE-TECH FM-700
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第四章 結果與討論
4.1 溶劑對助銲劑塗敷性之影響
一般塗敷助銲劑時，是以丙酮做為載體溶劑，但實驗中發現，除了 SiO2 外，本實驗中所測詴的助銲劑，若以丙酮為載體溶劑時，助銲劑塗層之均 勻性不佳且表面覆蓋率低，因其需以抖動填補且採多道次塗敷的方式，才 能將助銲劑平鋪於金屬表面之故；而改採甲醇為溶劑時，其均勻性及覆蓋 率極佳，故塗敷時僅需直接將筆刷由左至右，採一次塗敷之方式完成。
因為以極性而言，甲醇>乙醇>異丙醇>丙酮[50]，故以甲醇為助銲劑之 載體溶劑，能更效地提升助銲劑塗敷時之均勻性。圖 4-1 至圖 4-11 為甲醇 與丙酮溶劑對不同助銲劑塗敷性之影響。整體而言，以甲醇為載體溶劑時，
其塗敷性較丙酮佳。值得注意的是，當將 mask 膠帶由金屬表面移除時，在 銲道兩旁之 NiO 粉末容易剝落，如圖 4-2 所示。
SiO2 -甲醇 SiO2 -丙酮 圖 4-1 甲醇與丙酮對 SiO2塗敷性之影響
NiO -甲醇 NiO -丙酮
圖 4-2 甲醇與丙酮對 NiO 塗敷性之影響
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MoS2 -甲醇 MoS2 -丙酮 圖 4-3 甲醇與丙酮對 MoS2塗敷性之影響
MoO3 -甲醇 MoO3 -丙酮 圖 4-4 甲醇與丙酮對 MoO3塗敷性之影響
Cr2O3 -甲醇 Cr2O3 -丙酮 圖 4-5 甲醇與丙酮對 Cr2O3塗敷性之影響
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TiO2 -甲醇 TiO2 -丙酮 圖 4-6 甲醇與丙酮對 TiO2塗敷性之影響
MnO2 -甲醇 MnO2 -丙酮 圖 4-7 甲醇與丙酮對 MnO2塗敷性之影響
ZnO -甲醇 ZnO -丙酮
圖 4-8 甲醇與丙酮對 ZnO 塗敷性之影響
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SiO2 - MoO3 -甲醇 SiO2 - NiO -甲醇 圖 4-9 甲醇對 SiO2-MoO3及 SiO2-NiO 塗敷性之影響
MoO3 - NiO -甲醇 SiO2 - MoS2-甲醇 圖 4-10 甲醇對 MoO3-NiO 及 SiO2-MoS2塗敷性之影響
MoS2 - NiO -甲醇 MoS2 - MoO3 -甲醇 圖 4-11 甲醇對 MoS2-NiO 及 MoS2-MoO3塗敷性之影響
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4.2 助銲劑與銲接電流對銲道外觀之影響 4.2.1 高熱輸入量對銲道外觀之影響
雖然高熱輸入量可更效提升銲道熔深及熔融面積，但過高之熱輸入量 會使銲接工件產生變形及裂縫。依據表 4-1 之銲接參數進行銲接測詴，在熱 輸入量超過 14 KJ/cm 時，銲接工件即會形成嚴重之熱裂，造成銲接缺陷，
如圖 4-12 所示。
表 4-1 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 銲接參數-助銲劑 SiO2
銲接 銲槍 電弧 氰體 電極 電極 母材 鎢棒伸出 電流 走速 長度 流量 外徑 角度 厚度 罩杯長度
(A) (mm/min) (mm) (ℓ/min) (mm) (度) (mm) (mm)
170, 200 75-125 3.0 14 3.2 60 6.35 3
電流：200 A 速度：75 mm/min 電弧電壓：18V
熱輸入量：28.8 KJ/cm 助銲劑：SiO2
電流：200 A
速度：100 mm/min 電弧電壓：18V
熱輸入量：21.6 KJ/cm 助銲劑：SiO2
電流：170 A
速度：125 mm/min 電弧電壓：18V
熱輸入量：13.4 KJ/cm 助銲劑：SiO2
圖 4-12 銲道外觀圖-助銲劑 SiO2
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4.2.2 銲接電流對銲道外觀之影響
表 4-2 為超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 銲接參數，銲接電流為控制 因子。由圖 4-13 之銲道外觀可觀察到，在沒更塗敷任何助銲劑時，銲道平 整，完全沒更飛濺物及銲渣產生，為典型 TIG 銲接製程下之高品質銲道。
表 4-2 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate test 銲接參數-無助銲劑
銲接 銲槍 電弧 氰體 電極 鎢棒 母材 鎢棒伸出 電流 走速 長度 流量 外徑 角度 厚度 罩杯長度
(A) (mm/min) (mm) (ℓ/min) (mm) (度) (mm) (mm)
150, 170, 190 150 2.0 14 3.2 60 6.35 3
電流：150 A
速度：150 mm/min 電弧電壓：15.2 V 熱輸入量：9.12 KJ/cm 助銲劑：無
電流：170 A
速度：150 mm/min 電弧電壓：15.5 V
熱輸入量：10.54 KJ/cm 助銲劑：無
電流：190 A
速度：150 mm/min 電弧電壓：16.2 V
熱輸入量：12.31 KJ/cm 助銲劑：無
圖 4-13 銲接電流對銲道外觀之影響
4.2.3 單一型助銲劑對銲道外觀之影響
根據表 3-5 之銲接參數來進行銲接實驗，其銲道外觀圖如圖 4-14 所示。
塗敷助銲劑之 TIG-Flux 銲件，其銲道表面皆較圖 4-13 之 TIG 銲件粗糙。其 中銲道表面最為光滑的為使用助銲劑 TiO2，而 ZnO 次之，但 TiO2會沿著銲
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槍移動的方向(由右至左)，銲道寬度逐漸變大；NiO 與 MnO2因其粉末為黑 色之故，所以銲道上可觀察到明顯的固體夾渣(Solid inclusions)；當使用 MoS2時，銲道上可明顯看到魚鱗紋，而在銲道與母材交界處會產生過熔缺 陷(Undercut)。
SiO2 NiO
MoS2 MoO3
Cr2O3 TiO2
MnO2 ZnO
圖 4-14 銲道外觀圖-單一型助銲劑
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4.2.4 混合型助銲劑對銲道外觀之影響
根據表 3-5 之銲接參數來進行銲接實驗，其銲道外觀圖如圖 4-15 所示。
由圖中可觀察到，塗敷助銲劑之 TIG-Flux 銲件，其銲道表面皆較 TIG 銲件 粗糙。其中使用助銲劑 SiO2-MoO3、SiO2-NiO 與 MoO3-NiO 時，銲道上更 明顯的固體夾渣，根據章節 0 與文獻[3]之推斷，應可加適量的 TiO2來加以 改善銲道表面的粗糙度；而助銲劑 MoS2-MoO3會使銲道整個呈黑色並失去
由圖中可觀察到，塗敷助銲劑之 TIG-Flux 銲件，其銲道表面皆較 TIG 銲件 粗糙。其中使用助銲劑 SiO2-MoO3、SiO2-NiO 與 MoO3-NiO 時，銲道上更 明顯的固體夾渣，根據章節 0 與文獻[3]之推斷，應可加適量的 TiO2來加以 改善銲道表面的粗糙度；而助銲劑 MoS2-MoO3會使銲道整個呈黑色並失去