第二章 文獻回顧
2.7 銲接缺陷與防範對策
2.7.4 銲接變形之形成
在銲接過程中，由於銲接熱源於母材上進行局部且不均勻的急速加熱 與冷卻，使得銲道附近的填料金屬與母材產生熱應變，由熱應變所引發 的不均勻熱應力即是造成銲接變形的主因。如圖2-31 所示為對接銲 (butt-welded)角變形的形成，在銲接過程中，由於沿厚度方向之溫度不均 勻分佈，使得熔填金屬產生不均勻的橫向收縮力(Transverse shrinkage force)，此不均勻之橫向收縮力可視為一個作用在熔填金屬形心(如圖中 A 點所示)的合力，當此合力作用點與母材形心(如圖中 B 點所示)不在同一 位置時，便會產生彎曲力矩進而使銲件形成兩端向上彎曲的角度變化。
A：Centroid of the filler metal B：Centroid of the base metal F：Transverse shrinkage force 圖2-31 對接銲角變形之形成示意圖 2.8 肥粒相對銲道金屬之影響
沃斯鐵型不銹鋼在常溫下之微觀組織，在理論上應為完全沃斯田鐵 相組織，然而實際上大部分的沃斯田鐵型不銹鋼在銲接後皆會殘留或多 或少的肥粒相組織，因此沃斯田鐵中的肥粒相組織對影響銲道的機械性 質有相當程度的影響關係，故將肥粒相對於銲道的影響概述如下：
1.減少熱裂縫的產生
熱裂(Hot cracking)是一種發生在金屬材料在銲接進行中所形成的高 溫裂縫，其中熱裂可能發生區域為銲道或熱影響區。此熱裂現象的形成 一般都出現在金屬材料，特別是不銹鋼、鋁合金、鎳基合金，縱使是常 用之碳鋼及低合金鋼也常產生。
銲接熱裂縫一般可分為凝固裂縫與液化裂縫兩種基本形式，其中凝 固裂縫主要出現於銲接金屬中，而液化裂縫則較常出現於熱影響區中，
如圖2-32 所示
圖 2-32 銲接熱裂縫之裂縫形式及發生位置
凝固裂縫與液化裂縫的形成，主要都是受到銲接時銲接高溫所影 響，造成晶界面的低熔點偏析物尚未完全凝固或在晶界產生液化薄膜，
若再加上該區外圍產生足夠大之熱應力時，就會導致熱裂縫的形成。在 熔填金屬凝固時，柱狀晶粒(Columnar grain)從熔融邊界(Fusion
boundary)向著熔池(Weld pool)的中心區域生長，此時許多的合金元素和
不純物被排出晶粒前端，而最終集中在尚未凝固的液體中，此情況會使 肥粒相可減緩應力腐蝕裂縫(Stress corrosion cracking)的產生。
3. 肥粒相在高溫的環境中(500~800℃)，極易變態成δ相，δ相是由 Fe
第三章 實驗設備及方法
3.1 實驗流程
本實驗流程如圖3-1 所示，先將 AISI 304 不銹鋼及 308 不銹鋼銲線裁 切成所需之尺寸，助銲劑則採用自行調配的混合型活性助銲劑分別塗敷於 試片母材及銲線表面，並配合銲接參數進行Bead-On-Plate (BOP)銲接。
圖3-1 實驗流程圖
3.2 GTAW 之設備
本實驗係採用惰氣鎢極電弧銲接機(HOBART TIGWAVETM 350 AC / DC)型氬銲機與可數位控制走速的銲接檯車，如圖 3-2 及 3-3 所示。銲接方 法採用氬-二氧化碳混合氣體作為保護氣體來進行 Bead- On-Plate 實驗，
銲接電流值為125A，銲接走速為 75mm/min。鎢電極材料為 EWTh-2(直徑 為3.2mm)，銲炬噴嘴選用 7 號陶瓷罩杯，保護氣體為不同比例的氬氣-二 氧化碳混合氣體，並依比例適時調整兩種氣體流量，總流量則設定為20 Liter/min。
圖3-2 HOBART 惰氣鎢極電弧銲接機與其配件 (a)氣體混合器
(b)Plus 產生器
(c)電壓/電流控制器
圖3-3 HOBART 惰氣鎢極電弧銲接機－銲接檯與其配件 (c)控制器 (b)銲槍
(a)銲槍調整器及走行機
3.3 銲接試驗 一、實驗材料準備
1. 母材(Base metal)：本研究所採用的實驗材料為 AISI 304 沃斯田鐵型不 銹鋼，試片尺寸為 100mm × 40mm × 5mm，其金屬成份如表 3-1 所示。
表3-1 AISI 304 不鏽鋼金屬成分表 金 屬 成 分 (%) 成份
材料 C Si Mn P S Ni Cr Fe AISI 304 0.08 1.00 0.9 0.045 0.03 8.15 18.35 Bal.
2. 填料金屬(Filler metal)：本研究中所使用之銲線為不銹鋼 308 銲線，尺 寸為 ψ1.6mm × 250mm，其金屬成份如表 3-2 所示。
表 3-2 E 308 不鏽鋼金屬成分表 金 屬 成 分 (%) 成份
材料 C Si Mn P S Ni Mo Cr Fe
E308 0.08 0.6 0.75 0.04 0.03 9.8 0.75 18.5 Bal.
3.試片的處理
在進行銲接工作前，為避免試片及銲線表面髒污影響實驗結果，故需 進行清潔處理，主要步驟如下：
(1)表面處理：將表面氧化物及油汙利用#400 砂紙予以磨除。
(2)清潔：將適量丙酮加於試片及銲線表面，藉以去除油汙，並以擦拭布 將表面擦拭乾淨。
二、鎢電極之準備
鎢電極材料選用EWTH-2(直徑為 ψ3.2mm)，鎢電極角度為 60°，鎢電 極伸出銲炬噴嘴距離為3mm，電極距試片距離為 3mm。為確保實驗結果 的準確性，鎢電極於每次實驗之前需使用研磨器(如圖 3-4 所示)研磨至所需 之電極角度；此外，裝於銲槍上時亦須調整相關距離至所設定之條件，以 確保每次實驗參數的一致性。
圖3-4 鎢電極研磨器 三、助銲劑之準備與配製方法
助銲劑採用日本試藥工業株式會社所生產之產品，助銲劑的成分為 25%Cr2O3－25%TiO2－30%SiO2－10%MoS2－10%MoO3 [62]氧化物粉 末，粒度為#400 號。其助銲劑及調配方法如下(如圖 3-5 所示)：
1. 比例調配：採重量百分比方式進行調配，以電子秤秤出所需之重量比，
再予以混合。
2. 研磨混合：將所調配完成之粉末倒入缽中，並以攪拌棒予以研磨混合，
需研磨至細微之粉末狀，再倒至燒杯中，並加入適量之丙酮攪拌均勻使 之成泥漿狀。
3. 助銲劑塗敷：利用筆刷沾取適量之助銲劑，再塗敷於母材及銲線上，塗 敷原則須遮蔽金屬光澤為最佳，塗敷完成後，待丙酮揮發後銲藥即可覆 著於試片上，然後可進行銲接實驗，若需補塗助銲劑亦須待丙酮揮發後 再予補塗。
圖3-5 助銲劑調配與塗敷 四、銲接參數設計
在銲接條件設定為銲接電流為125A，銲接走速為 75mm/min，其氬氣 與二氧化碳不同比例添加量，因測試30%~100%CO2添加量皆發生銲穿及 銲裂之情形，故添加量設定為0%~10%來進行實驗，氣體添加之參數如表 3-3 所示。
表3-3 銲接氣體參數流量比例表 CO2比例 Ar CO2
0% 20 liter/min 0 liter/min 0.5% 19.9 liter/min 0.1 liter/min
1% 19.8 liter/min 0.2 liter/min 2.5% 19.5 liter/min 0.5 liter/min 5% 19.0 liter/min 1.0 liter/min 7.5% 18.5 liter/min 1.5 liter/min
3.4 電弧形狀及陽極斑點拍攝
為了瞭解活性助銲劑的添加對電弧形態產生的影響，在進行A-TIG 銲 接實驗時，架設CCD 影像擷取系統於銲槍上(如圖 3-6 所示)，以同步的方 式拍攝銲接電弧的影像並將數位訊號儲存在電腦，藉以分析A-TIG 對電漿 電弧收縮與熔池收縮之影響及作用機制
圖3-6 CCD 鏡頭架設圖
3.5 電壓值拍攝
架設Web-Cam 之鏡頭，於銲接實驗過程中，同步紀錄電壓值之變化，
並將數位資料儲存於電腦上，以分析活性助銲劑的添加對銲接電壓所產生 的影響。
圖3-7 Web-Cam 鏡頭架設圖
3.6 銲道外觀拍攝
Start point of measure End point of measure Reference point of measure
X Z
30mm 15mm
Y X
The direction of m easure
X Y
圖3-9 銲件角變形量測原理 3.8 金相實驗
材料的微觀組織對機械性質影響甚鉅，所以金相實驗即對材料進行細 部組織的觀察，最常用之方法即使用光學顯微鏡觀測。本研究主要針對於 氬氣與二氧化碳以不同比例之氣體添加於傳統氬銲製程中，搭配活性助銲 劑添加於母材或銲線表面時對金相顯微組織之影響，故需針對銲道進行微 觀組織之觀察，其金相實驗步驟如下：
1.取樣：將試片頭尾各約 15mm 切除，並選擇適合觀察的位置進行取樣，
並以銼刀及砂紙去除毛邊。
2.鑲埋：將試片放入熱鑲埋機內並添加電木粉，將鑲埋加熱時間設定為 9min，鑲埋壓力設定為 18KN，冷卻時間為 4min，待冷卻後取出。
3.研磨：使用碳化矽砂紙及研磨機進行研磨，砂紙號數使用順序由 120、
240、400、600、800、1200、1600、2000 號遞增。
4.拋光：使用拋光機進行拋光，拋光劑為氧化鋁粉，需拋光至 0.1μm，經拋 光完成後的試片，必須以清水與酒精清洗乾淨並用吹風機吹乾。
5.浸蝕：採用 Marble’s 腐蝕液(10g CuSO4+50ml HC1+50ml H2O)將金相 試片浸蝕，而腐蝕時間則約為3～5 秒鐘，浸蝕後迅速用清水沖洗，並用 吹風機吹乾；由於腐蝕液具強烈腐蝕性，操作時需配戴手套並小心操作。
6.顯微組織觀察及拍照：利用光學顯微鏡(Olympus BX60M 型)進行微觀組 織觀察及拍照。
3.9 銲道滲透深度與寬度量測
利用實體顯微鏡量測銲道的穿深(Depth)及寬度(Width)。本研究主要係 以穿深/寬度比值(D/W ratio)做為熔深特性之評估指標，其銲道形狀之量測 示意圖如圖3-10 所示。
T D
W
R
D T
W
R
D T
W
R
(a).部份熔透 (b).完全熔透-銲道凸起 (c).完全熔透-銲道凹陷
圖 3-10 銲道深寬比量測示意圖 3.10 肥粒相量測
為量測其試片銲道殘留肥粒相含量，量測設備採用 Ferrit Scope M10B-FE 型肥粒相測定儀(測頭直徑為 1.2mm、平均誤差量為 0.04 FN)，
如圖3-11 所示。其量測的基本原理，係利用肥粒相組織具有鐵磁性而沃斯 田相組織不具有鐵磁性的物理特性，藉由儀器磁力感應的程度來量測其肥 粒相含量的多寡。其中量測步驟為先將試片欲量測面用砂紙清除氧化物或 油污，並用丙酮清潔乾淨，然後使用標準試片來進行校正工作，最後才進 行實驗試片的量測工作。
3.11 微硬度量測
本研究測量銲道硬度時，係採用Matsuzawa MHT-1 微硬度測定機（如 圖3-12 所示），試驗荷重為 200 公克，荷重加壓時間為 15 秒鐘，而量測 位置則為距銲件表面下1mm 處起，且每點間隔為 0.25mm，如圖 3-13 所 示，最後共量測十點並予以平均，即為銲道微硬度值。
圖3-12 Matsuzawa MHT-1 微硬度測定機
圖3-13 銲道微硬度量測位置圖
第四章 實驗結果與討論
4.1 CO2氣體添加於A-TIG銲接製程對銲道外觀之影響
圖 4-1 為 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對不銹鋼銲道外觀影響的實驗 結果，其分析說明如下：
當添加混合型助銲劑其銲道表面相當平整且於表面可觀察出規則的堆疊 (Overlap)現象，且於銲道兩側並無發現有飛濺物(Spatter)之情形。
銲條添加對不銹鋼銲道表面外觀之影響，可由圖4-1 c 中觀察出在未添加 銲條之試片中，因添加助銲劑之因素使銲道熔融深度增加，故銲道表面產生凹 陷之現象；然而添加銲條添加可使不銹鋼銲道表面變較為平整，填補原不銹鋼 銲道凹陷之現象。此外，銲條添加之路徑亦會影響銲道之直線度。
CO2氣體添加於保護氣體中對傳統氬銲製程之不銹鋼銲道，可觀察出隨著 CO2氣體添加比例增加於銲道兩側逐漸形成氧化物之堆疊現象，且在表面仍有
CO2氣體添加於保護氣體中對傳統氬銲製程之不銹鋼銲道，可觀察出隨著 CO2氣體添加比例增加於銲道兩側逐漸形成氧化物之堆疊現象，且在表面仍有