第二章 文獻探討
2.4 鋁合金銲接組織
2.4 鋁合金銲接組織
鋁合金銲接組織可區分為熔融區(fusion zone)、熱影響區(HAZ)及 母材(base metal)等三區，其中熔融區又稱為銲道 金屬(weld metal)或簡 稱銲道。以下將銲道金屬組織及熱影響區組織特性分述如下：
一、 銲道金屬組織
銲道金屬組織其微結構組織受母材成份、銲材成份、銲道設計及 銲接條件所控制，其中受母材及銲材合金成份的影響最大。其固化模 式(solidification mode)主要是由組成過冷度(constitutional supercooling) 的大小來控制，大致可分為平面磊晶成長(planar epitaxial growth)、晶 包(cellular)、柱狀晶(columnar dendrite)及等軸晶(equiaxed dendrite)，由 銲道的凝固界面往內成核成長銲道 金屬組織[19]。
鋁合金組成的成份複雜，又容易產生共晶相，由圖2.2[21]可看出鋁 合金合金成份對其共晶溫度的影響很大。合金成份越多會導致凝固溫
度範圍變大，對銲接性質造成不利的影響[19、21]。圖2.3[21]為鋁合金中合 金成份對裂縫敏感性的影響[21、22]，由圖中可明顯可看出僅是高Cu含量 或僅是高Mg含量的鋁合金，銲接性甚佳，如2219及5083鋁合金。而含 Cu量及含Mg量兩者均高，如2024、2091、7075及8090鋁合金，不易銲 接。圖2.3[21]也可用來預估鋁合金銲接性，及提供如何選用銲條來稀釋 (dilution)調整銲道合金成份以提高銲接性。選用高Cu含量的銲料(filler) 可提升2024、2090、2519及WeldaliteTM049鋁合金的銲接性。而選用高 Mg含量的銲料可提升6061、7005及8090鋁合金的銲接性。Kim等人[23]
就曾利用Tig-a-Ma-Jig Varestraint Test研究合金成份與高強度Al-Zn-Mg 鋁合金之銲道凝固熱裂敏感性的影響，發現添加物中Cu的含量較高會 提高凝固裂縫敏感性，而添加物中Mg的含量提高0.3~0.7%可以大幅降 低其凝固裂縫敏感性，其中若添加過渡元素Zr比添加Cr更能有效降低 凝固裂縫敏感性。
圖 2.2 鋁合金之共晶溶解溫度[21]
圖 2.3 鋁合金成份對裂縫敏感性之影響[21]
二、 熱影響區組織
在銲接過程中，由於高溫熱作用，銲道本身屬於鑄造組織，強度 接近母材退火之狀態，由於材料本身的熱導作用，母材靠近銲道之處 必然會受到熱量的影響，愈接近銲道所受到的熱量愈高，母材在經歷 熱循環作用後，如實施一熱處理程序，將對銲道附近母材組織產生改 變。在熱影響區的範圍內由於受到不同的急速升溫及冷卻的銲接熱循 環作用，會導致不同的相變化冶金反應，而一般組織之改變大都是基 地改變、析出物之析出、晶粒再結晶、晶粒成長等，上述母材內部組 織的改變均會影響其機械性質、物理性質及腐蝕行為等，故稱為熱影 響區[24]。影響熱循環過程之因素：(1)熱輸入量(heat input)；(2)預熱溫 度(preheat temperature)；(3)銲道幾何形狀(weld geometry)；(4)銲材之熱 傳性(thermal characteristics)；(5)銲條大小(electrode size)。
(一) 非熱處理型鋁合金
非熱處理型鋁合金經銲接後，其銲接溫度及銲後強度分佈如圖 2.4[25]所示。
對於熱處理型銲件來說，銲接後因受到熱影響區晶粒成長及再結 晶的冶金反應，造成部分機械性質的損失，為目前急需克服改善的難 題。非熱處 理型鋁合金主要強化機構有：固溶強化(solid solution）、應 變硬化(strain hardening)、散佈強化(dispersion strengthening)。對於非熱 處理型鋁合金來說，為使強度提升，常用方法為進行冷加工，亦可藉 由不同退火消除應變硬化之效果。退火的目的在於消除加工時所產生 的內應力或使之完全軟化。
在其熱影響區裡又大致可區分為三塊區域：(1)晶粒成長區；(2)再 結晶區；(3)未受影響之加工硬化區。對非熱處理鋁合金而言，熱影響 區受到銲接熱循環的影響，將會造成晶粒的成長及再結晶的冶金反應 而損失部分的機械強 度[19,26]。
圖 2.4 非熱處理型鋁合金銲接對其接合強度之影響[25]
(二) 熱處理型鋁合金 稱為過熱區(overheated zone)，而部份熔化區所在位置，如圖 2.6[15]所 示。
此區域內的析出物因往晶粒中心聚集合併 (coalescence)成粗大顆 粒，區域內材質成為過時效狀態，導致機械性質最差，必須施予固熔 及時效處理才能改善此區域之強度。
(5) 未受熱影響區(Unaffected Zone)
此區因為距離銲道較遠，所以受到的熱循環溫度較低，母材不會 產生組織上的變化，與銲前的性質相同。
銲接過程中，依距銲道不同距離的母材，其溫度分佈將呈現一梯 度的形式，稱之為熱循環過程(thermal cycle process)，距離銲道中心越 遠，能達到的尖峰溫度（peak temperature）愈低，且到達尖峰溫度的 時間越久，加熱及 冷卻速率（cooling rate）越慢。母材經 歷熱循環後，
如同經熱處理一般，將使銲道附近母材組織改變。改變之情況將由母 材銲前加工狀態而定。
圖 2.5 鋁合金銲後熱影響區顯微組織圖[27]
圖 2.6 銲件(含銲接金屬與母材)區域之劃分[15]