第三章 實驗設備及方法
3.6 銲道滲透深度與寬度量測
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），並依 ASTM_E384-07 規範進行試驗，試驗荷重為 100 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，且每點間隔 0.5mm 測量一硬度，並以銲道中心往外延伸 8.0mm 為量 測範圍，且每片試片共取 2 次硬度值(如圖 3-13 所示)，最後再將量測之 值記錄並作各部位之硬度分佈線，試片取樣形式如圖 3-15 所示。
圖 3-12 Matsuzawa MHT-1 微硬度測定機
0.5mm
1mm
圖 3-13 硬度量測位置示意圖
3.8 拉伸試驗
將銲妥之各組材料切割取樣，依 ASTM-E8M 之拉伸試驗規範製作拉 伸試片，試片規格依型式不同進行選擇，如圖 3-14 示意圖所示 ，拉伸試
NO.1 NO.2
片取樣形式如圖 3-15 所示，所使用之試驗儀器為 INSTORN 850I 型(如圖 3-16)，荷重 100KN 之萬能材料試驗機。
拉伸試驗進行時可用個人電腦(PC)將相關資料全部印出來，由此試 驗可獲得經銲接後銲道之極限抗拉強度(UTS)、降伏強度(YS)、伸長率 (elongation)、斷面縮率(reduction of area)及應力-應變曲線。
試片尺寸 mm
3mm 板材試片 3mm 管材試片
G-標距 25.0 50.0
W-寬度 6.0 12.5
T-厚度 3.0 3.0
R-圓弧半徑 6.0 12.5
L-總長度 100.0 230.0
A-縮減部位長度 32.0 60.0 B-夾持部位長度 30.0 75.0 C-夾持部位寬度 10.0 20.0
圖 3-14 拉伸試驗片尺寸
150
75 75
2 (b)3mm 管材試片
(a)3mm 板材試片
#1
#2
#2
#1
金相試片
拉伸試片
圖 3-15 拉伸及金相試驗片取樣位置示意圖
圖 3-16 INSTORN 850I 型萬能試驗機
3-9 氣瓶罐體銲接
選擇 7075-T6 之鋁棒材，先將外徑車削至 30mm，再以鑚、搪孔方式 進行氣瓶本體製作，加工至壁厚為 3mm 及底部厚度為 6mm 之圓柱形罐 體，接著再加上一 6mm 厚度之上蓋，將罐體與上蓋組合後，於接合部位 進行全周 TIG 方式填料銲接，罐體與上蓋之組合方式分為兩種，並搭配 不同銲接方式(a)圖之胴體側開槽填料銲接及(b)圖之上蓋側開槽及填料 銲接，組合及銲接位置示意圖如圖 3-17 所示，其銲接參數設定為試片實 驗得到之最佳銲接參數，如此以得到熔入深、銲道面積最佳化。
(a)胴體側施銲 (b)上蓋側施銲 圖 3-17 氣瓶罐體銲接式意圖
3-10 水壓試驗
水壓試驗設備其包含有：微型鋁合金氣瓶本體、壓力表、壓力記錄 器及水壓機，試驗方式為將鋁合金氣瓶接上連結器，同時並聯一壓力 表，主要為量測充填時管內可承受之壓力值，利用水壓機持續對氣瓶填 充水壓，充填時利用壓力記錄器來記錄充填之壓力，並記錄最後可承受 之最大壓力，試驗方式示意圖如圖 3-18 所示。
圖 3-18 氣瓶水壓試驗示意圖
3-11 銲後熱處理
銲後熱處理設備如圖 3-19 所示。熱處理進行方式依據 ASTM B597-92 之鋁合金熱處理規範，主要進行固溶處理(470℃ 40min.)→淬水→人 工時效處理(120℃ 24hr.)，後續以編號 T6 代表之。
圖 3-19 Nabertherm 高溫熱處理爐
第四章 結果與討論
4.1.2 L16 田口實驗分析
經由首次銲接確認，可從銲道外觀及背視圖判斷出銲接參數之變化。
利用田口實驗分析法探討改變銲接電流、銲槍走行速度、氣體流量及銲件 至電極間隙值等四個銲接參數。由表 4-1 初步銲接結果解析可歸納出實驗 要因分析表，如表 4-2 所示。
表 4-2 實驗計劃要因配置表
水準1 水準2 水準3 水準4
A-鈑材距電極間隙 1.5mm 2.0mm 2.5mm 3.0mm
B-電流 110A 115A 120A 125A
C-銲槍走行速度 200mm/min 250mm/min 300mm/min 350mm/min D-保護氣體流量 8 l/min 10 l/min 15 l/min 20 l/min
水準 因子
表 4-2 共有 4 個參數，每個參數分別為 4 個水準，採用實驗規劃法以 L16 直交表來進行實驗，實驗參數配置如表 4-3，實驗結果可獲得如圖 4-1 所示為銲道外觀之影響，由外觀銲道狀況確認較佳者為 7、8、13、14 共 4 組條件。
表 4-3 L16(44)實驗參數表
NO GAP 電流 銲速 氣體流量
1 1.5 110 200 8
2 1.5 115 250 10
3 1.5 120 300 15
4 1.5 125 350 20
5 2.0 110 250 15
6 2.0 115 200 20
7 2.0 120 350 8
8 2.0 125 300 10
9 2.5 110 300 20
10 2.5 115 350 15
11 2.5 120 200 10
12 2.5 125 250 8
13 3.0 110 350 10
14 3.0 115 300 8
15 3.0 120 250 20
16 3.0 125 200 15
試
試
試
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
1
3.13 6.36 0.49 13.182
D W D/W 銲道面積
2
2.61 5.37 0.48 7.705
3
D W D/W 銲道面積
1.35 4.53 0.30 3.659
圖 4-2 L16 直交表銲道截面型態
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
4
1.34 4.77 0.28 4.16
D W D/W 銲道面積
5
1.27 5.02 0.25 4.21
6
D W D/W 銲道面積
2.81 7.24 0.38 10.134
圖 4-2 L16 直交表銲道截面型態(續)
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
7
0.99 4.22 0.23 2.459
D W D/W 銲道面積
8
2.51 6.14 0.41 7.172
9
D W D/W 銲道面積
0.60 3.70 0.16 1.380
圖 4-2 L16 直交表銲道截面型態(續)
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
10
0.32 2.17 0.15 0.447
D W D/W 銲道面積
11
2.93 7.03 0.42 13.019
12
D W D/W 銲道面積
2.94 6.90 0.43 11.910
圖 4-2 L16 直交表銲道截面型態(續)
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
13
0.23 2.15 0.11 0.292
D W D/W 銲道面積
14
1.02 5.01 0.20 2.516
15
D W D/W 銲道面積
1.71 5.50 0.31 5.324
圖 4-2 L16 直交表銲道截面型態(續)
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
16
2.98 9.95 0.30 26.314
圖 4-2 L16 直交表銲道截面型態(續)
0 Fusion Area(mm2 )
圖 4-3 L16 直交表銲道熔融面積長條圖
4.1.3 最佳化條件之探討
化製程條件。此四水準之因子效果圖，可以很明顯看出各因子對於產品品
△P 20.574 17.306 27.406 25.285
影響度排名 3 4 1 2
4.1.4 金相組織探討
本實驗採用 Keller 腐蝕液腐蝕，且在腐蝕液腐蝕 15~20 秒後進行光 學顯微鏡(OM)觀察，並將觀察結果加以分析。
由金相組織看到整個組織部份(如圖 4-6 所示)包含銲道熔融區、熱影 響區及未受熱影影響區，其中熱影響區的機械性質最差，熱影響區中有黑 色區域為析出物。
在銲道凝固後可看到銲道部位組織為等軸樹枝晶組織，如圖 4-7 所 示，此現象是由於結構過冷所引起的，而在銲道熔融線附近有柱狀樹枝晶 組織，如圖 4-8 所示，同樣為結構過冷所造成的，其中等軸樹枝晶結構過 冷程度較柱狀樹枝晶大。
在 1~15 組試片中，銲道外觀均正常，但在第 16 組試驗中，於銲道發 生裂的現象，裂痕組織狀況圖 3-9 所示，當發生銲道裂痕是不被允許發生。
未受熱影響
熱影響區
銲道熔融
圖 4-6 截面金相組織
圖 4-7 等軸樹枝晶組織
圖 4-8 柱狀樹枝晶組織
圖 4-9 銲道裂痕組織
4.2 對接銲接參數之探討
C-銲槍走行速度 150 mm/min 200 mm/min 250 mm/min
D-保護氣體流量 10 l/min 15 l/min 20 l/min
實驗結果可獲得如圖 4-10 所示為 L9 銲道外觀之影響及圖 4-11 所示為
試片 編號 GAP
(mm) 電流
(A)
銲速 (mm/min)
氣體 流量 (L/min)
正面 照片
背面 照片
6 2.5 130 150 15
7 3.0 120 250 15
8 3.0 125 150 20
9 3.0 130 200 10
圖 4-10 L9 直交表銲道外觀之影響(續)
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
1
3.54 6.10 0.58 10.88
D W D/W 銲道面積
2
3.24 6.43 0.50 10.82
3
銲道面積
D W D/W
1.85 5.74 0.32 7.67
圖 4-11 L9 直交表銲道截面型態
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
4
1.54 5.55 0.28 8.82
D W D/W 銲道面積
5
1.29 5.65 0.23 6.57
6
D W D/W 銲道面積
4.30 9.41 0.46 28.35
圖 4-11 L9 直交表銲道截面型態(續)
No. 銲道型態
D W D/W 銲道面積
7
1.02 4.48 0.23 4.54
D W D/W 銲道面積
8
3.93 8.56 0.46 25.86
9
D W D/W 銲道面積
3.64 7.03 0.52 19.8
圖 4-11 L9 直交表銲道截面型態(續)
由圖 4-12 銲道熔融面積及 4-13 銲道深寬比中可比較看出，在 9 組試片
若以表 4-8 所示為 L9 直交表實驗數據與 S/N 比及表 4-9 所示為 L9 直 交表展開之輔助表可得知本次研究的最佳參數為，當試片與電極間隙在第 一水準(2.0mm)、銲接電流在第三水準(130 A)、銲槍走速在第一水準(150 mm/min)、保護氣體流量在第一水準( 10 l/min)。
(L/min) TEST1 TEST2 TEST3 η (望大特性)
1 -20.170 -28.501 -17.599 -22.679 2 -30.504 -25.368 -22.606 -25.122 3 -24.519 -21.324 -34.988 -27.392
△P 10.334 7.177 17.389 4.713
影響度排名 2 3 1 4
最佳參數 A-水準1 B-水準3 C-水準1 D-水準1
4.3 氣瓶之銲接設計
依氣瓶尺寸設計圖進行氣瓶上下本體的製作，接著將圖 4-14 上蓋及圖 4-15 氣瓶罐體分成兩種接合方式，如圖 4-16 上下本體接合法進行銲接，
銲接參數以未填料平版對接最佳參數為 base，因填料需要提高熱能輸入 量，所以氣瓶銲接參數設定如表 4-10，並進行氣瓶全周 TIG 填料不開槽銲 接，銲接後狀況如圖 4-17 胴體側施銲及圖 4-18 上蓋側施銲兩種。
表 4-10 氣瓶銲接參數
GAP (mm)
電流 (A)
走速 (mm/min)
氬氣流量 (l/min)
銲條直徑 (mm)
鎢棒直徑 (mm)
填料 2.0 160 230 15.0 3.2 3.2
圖 4-14 氣瓶上蓋
圖 4-15 氣瓶罐體
圖 4-16 上下本體接合法
圖 4-17 胴體側施銲
圖 4-18 上蓋側施銲
4.4 水壓試驗探討
依銲道之溶深狀況，如圖 4-19(a)胴體側施銲和(b)上蓋側施銲，及銲道
外型美觀為選定準則，最後選定以溶入深較淺之上蓋側銲接方式(溶深約 2.0mm)進行耐水壓試驗，經由SGS進行水壓試驗後，氣瓶在 10Kg/cm2壓力 維持 1min.無洩漏及變形，接著繼續增壓至 20 Kg/cm2壓力維持 1min.仍無洩 漏及變形，壓力表讀值及氣瓶狀況如圖 4-20(a) 10Kg/cm2壓力值及(b) 20 Kg/cm2壓力值，最終鋁合金氣瓶耐水壓為 20 Kg/cm2高過於D.O.T要求之 5/3 的設計壓力值(約 17 Kg/cm2)，所以判定符合要求，SGS水壓試驗報告如附 錄一。
上蓋
側壁 銲道 銲道
上蓋
側壁
圖 4-19(a) 胴體側施銲銲道 圖 4-19(b) 上蓋側施銲銲道
圖 4-20(a) 10Kg/cm2壓力值下氣瓶狀況
圖 4-20(b) 20Kg/cm2壓力值下氣瓶狀況
4.5 微硬度試驗分析
4.5.2 無填料銲件之微硬度分析
未經銲後熱處理與經過銲後 T6 熱處理之無填料銲件截面積微硬度變 化曲線，如圖 4-22 所示。未經銲後熱處理之無填料銲道區硬度平均為 105 Hv 與母材區硬度平均為 142 Hv，經過銲後 T6 熱處理製程之無填料銲件，
其銲道區硬度平均為 171 Hv 與母材區硬度平均為 176 Hv，所以銲件經過 T6 熱處理製程後，在銲道區硬度較未熱處理者提升約 39%，另在母材區 硬度則較未熱處理者提升約 19%，整體看起來，未填料之銲件在銲後熱處 理後，其硬度值回復到原母材的狀況，相當於未經過銲接過程之熱影響狀 態。
綜合上述實驗結果顯示，當無填料銲件經過T6 熱處理後，銲道硬度 高於未熱處理前，且仍高於有填料銲件T6 熱處理之狀況，在Hirano[73]等人 指出銅、鎂、矽和鋅等元素，為 7000 系列鋁合金介入析出強化的主要溶 質原子、惟鋅、鎂等低熔點元素在銲接過程中易於蒸發，故無填料銲件之 銲道合金成分濃度相對較有填料銲件高，故經銲後T6 熱處理製程能形成 較多微細分佈的過渡相析出物(G.P. zones、η相與η＇相)，可具較多機率 形成η＇析出強化相。因此無填料銲道之微硬度值經銲後T6 熱處理後，其 微硬度值較有填料銲件銲道者為高。
當在銲件銲後未經熱處理前，無填料銲道硬度值較有填料銲道硬度值 高約 31 Hv，研判為有填料銲件在銲接過程中，為使 ER5356 填料能充分與
鋁合金母材熔融，提高電流增加熱能用以增進融合效果，此方式使有填料
抗拉強度
銲道斷裂
圖 4-25 有填料銲件之銲後熱處理拉伸試片結果
銲道斷裂
4.6.2 無填料銲件之拉伸試驗探討
圖 4-27 及圖 4-28 為無填料銲件在有/無銲後熱處理後，進行拉伸試驗 之結果。未經銲後熱處理銲件之抗拉強度為 27.7Kg/mm2、降伏強度為 10.4 Kg/mm2，而經過銲後T6 熱處理銲件其抗拉強度為 35.1 Kg/mm2、降伏強 度為 19.2 Kg/mm2，顯示銲後T6 熱處理對於銲件仍具有強化之效果，且較 未經銲後熱處理銲件之抗拉強度提升約 21%及降伏強度提升約 45%。在圖 4-29 及圖 4-30 為拉伸試片在銲後熱處理及未熱處理之狀況，仍然均在銲 道區斷裂，斷裂面呈現平整脆斷狀況。
綜合有/無填料銲件的拉伸試驗結果，在無填料銲件經 T6 銲後熱處理 後之抗拉強度及降伏強度仍較低於無熱處理之填料銲件，顯示 7075 鋁合 金在經 ER5356 填料銲接後，其強度較無填料者高，且在經銲後 T6 熱處 理可提升銲件之強度，但仍無法使銲道強度高於母材。
抗拉強度
0 5 10 15 20 25 30 35 40
無熱處理 熱處理
Kg/mm2
圖 4-27 無填料銲件在有/無熱處理後之抗拉強度
圖 4-27 無填料銲件在有/無熱處理後之抗拉強度