鋁合金之銲接組織

鋁合金銲接組織可分為熔融區(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。茲將銲道金屬及熱影響區的組織特性分述如下：

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 以 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^[33、34]。

鋁合金的成份很複雜，又容易形成共晶相，由圖1-2^[7]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，而對銲接性有不利的影響^[7、33]。圖1-3^[9]為鋁合金中合金成份對裂縫敏 感性的影響^[33-35]，由圖中很明顯可看出僅是高銅含量或僅是高鎂含量的鋁 合金，銲接性甚佳，如2219 及5083 鋁合金。而含銅量及含鎂量兩者均高 的2024、2091、7075 及8090 鋁合金銲接性則不佳。圖1-3^[9]可用來預估鋁 合金銲接性，以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^[7、10]。如選用高銅含量的銲料(Filler)可改善2024、2090、

2519 及Weldalite^TM049 鋁合金的銲接性。而選用高鎂含量的銲料可改善 6061、7005 及8090 鋁合金的銲接性。Kim 等人^[39]曾利用Tig-a-Ma-Jig Varestraint Test研究合金成份對高強度鋁-鋅-鎂鋁合金之銲道凝固熱裂 敏感性的影響，發現銅的添加量會提高凝固裂縫敏感性，而鎂的添加量提 高至0.3~0.7%可以大幅降低其凝固裂縫敏感性，其亦指出添加過渡元素鋯 比添加鉻更能有效降低凝固裂縫敏感性。

圖1-2 二元或三元鋁合金之共晶溶解溫度^[7]

二、熱影響區組織

在銲接過程中，由於高溫熱作用，銲道本身係屬於鑄造組織，強度接 近母材之退火狀態，由於材料本身熱導作用，母材靠近銲道之處必然會受 到熱量的影響，愈近銲道所承受的熱量愈高，母材在經歷熱循環作用後，

如實施一熱處理程序，將使銲道附近母材組織改變。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，故稱為熱影響區^[37]。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

對加工硬化非熱處理型鋁合金而言，其熱影響區大致可分為三個區 域：(1)晶粒成長區；(2)再結晶區；(3)未受影響之加工硬化區。對此非 熱處理鋁合金而言，受到銲接熱循環的作用下，熱影響區會因晶粒成長及 再結晶的冶金反應而損失部分的機械強度[6、33、34、38]

。 (二)熱處理型鋁合金

熱處理型鋁合金經銲接後母材之熱影響區依其受不同溫度熱循環的作

用，可分為五種顯微組織相異的區域，如圖1-4^[43]所示，以銲道為中心向 外依序為^[44]：

(1)部份熔化區(Partial Melted Zone)

此區緊鄰銲道，合金所含之共晶組成因高溫作用而部份熔化和再凝 固，而合金內的析出物因過熱和擴散作用將往晶界和晶粒中心聚集，並使 晶 粒 增 大 ， 故 強 度 甚 低 易 產 生 裂 縫 。 此 區 亦 稱 為 過 熱 區 (Overheated Zone)，而部份熔化區所在位置，如圖1-5^[45]所示。

(2)固溶區(Solution Zone)

在此區母材原本所含之析出物將被重新溶回基地中，銲後若經適當的 自然時效或人工時效可顯著改善其強度。

(3)部份固溶區(Partial Solution Zone )

因溫度較低，導致此區部份析出物無法完全固溶回基地中，而尚未固 溶之析出物有可能因聚集而使晶粒粗化，導致機械性質變差。

(4)過時效區(Overaged Zone)

此區的熱循環溫度有助於析出物的析出成長及粗化，造成過時效狀 態，機械性質最差，必須銲後施以時效處理或熱處理，才能提高機械性 質。

(5)未受熱影響區(Unaffected Zone)

此區較遠離銲道，所受到的熱循環溫度較低，母材不會引起任何組織

上的變化，性質與銲前相同。

圖1-4 鋁合金銲後熱影響區顯微組織圖^[43]

圖1-5 銲件(含銲接金屬與母材)區域之劃分^[45]

1.2.6 鋁合金銲接時常見缺陷

無論技術多精良，一條銲道很難完美無瑕，通常銲層中總可能包含 微量的銲渣或產生一些微細裂紋，無法使整個銲接物完美無缺，雖然對 整體的機械性質並無影響，但由於破壞了銲接物的完美與連續性，通常 稱這些微疵為不連續，這些不連續太多或者太大到超過某一標準限度違 反了某些規格標準(specification code)，我們稱之為缺陷。

1.2.6.1 銲接缺陷防治方法

體流動尚需保持

1.2.6.2 鋁合金銲接時常見缺陷

鋁合金在銲接時，常見之缺陷有下列數種：

一、龜裂(Cracking)

對鋁合金而言，其銲接過程中所出現的裂紋缺陷主要為高溫龜裂及熱 影響區液化龜裂兩大類。銲道內低熔點共晶組織偏析，形成液體薄膜，並 於凝固收縮拉應力作用下分離，為銲道熱裂紋產生的機構。而熱影響區於 銲接過程中累積過高溫度，使晶界中之低熔點共晶組織熔融，並於冷卻過 程中受收縮拉應力作用而分離，則是熱影響區液化龜裂的成因^[57]。

二、氣孔(Porosity)

鋁合金銲道產生氣孔最主要的原因是由氫氣所造成的，當銲道熔融金 屬中的氫氣，在凝固前若來不及脫離銲道金屬時，則銲道金屬凝固之後會 產生氣孔。氫氣的主要來源有母材和銲線填料表面的污染，如氫氧化物、

碳氧化物或氧化物所吸收之水氣；另外亦可能從不純的保護氣體中滲入的 空氣或濕氣。

三、變形(Distortion)

在銲接的過程中，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(Filler Metal)與母材產生熱應變 (Thermal Strain)，由熱應變再產生熱應力(Thermal Stress)，此不均勻 的熱應力便是銲接變形(Welding Distortion)產生的主要原因。

四、不完全熔融(Incomplete Fusion)

不完全熔融的原因為不當的銲接條件，如銲接電流太低、銲接速度太 快及填料尺寸不當等，以及附著於接口與母材上有高溫氧化物或雜質未除 淨，造成銲接金屬的相鄰兩層間或者與母材間之熔解不良情形。

五、滲透不足(Incomplete Penetration)

主要因為銲接熱輸入量不足，不良的接口設計、銲接技術不良、銲條 選擇不當、銲接電弧不穩定及母材表面的氧化物或雜質未除淨。

六、夾渣(Dense Inclusion)

銲道中之夾渣，可分為金屬夾渣物(Metallic Inclusion)與非金屬夾 渣物(Nonmetallic Inclusion)兩種。前者主要發生在TIG 銲接，鎢由於 TIG 銲接電極過熱、空氣導致的污染、電極與母材或銲材接觸等原因，致 使電極前端飛散出去，掉落在熔池內而形成。後者主要是因銲接接口與母 材介面含氧化物和不潔物，以及銲接技術的瑕疵或設計者所提之銲接方法 的失策。

七、過熔低陷(Undercut)(又稱之為銲蝕)

導致銲蝕的主要原因是銲接條件設定不良，例如使用特定的電壓，過 量的電流、過度的電弧長度、銲速太快、以及銲接操作不當等所造成。

1.2.6.3 銲接熱裂縫

銲接熱裂縫(Hot Cracking)是一種通常發生在銲接過程中，即由液相 溫 度 開 始 冷 卻 凝 固 之 高 溫 狀 態 下 發 生 裂 縫 ， 所 以 在 接 近 固 相 線 溫 度 (Solidus Temperature)形成之裂縫稱之為熱裂縫。而通常在銲道金屬或 熱影響區上皆可以發現銲接熱裂縫的存在。

一、銲接熱裂縫之分類

Hemsworth,et al.將熱裂縫分成兩類(如圖1-6^[58]所示)：(一) 偏析熱 裂 縫 (Segregation Cracking) ： 包 含 銲 道 金 屬 的 凝 固 裂 縫 (Weld Metal Solidification Cracking) 及 熱 影 響 區 的 液 化 裂 縫 (HAZ Liquation Cracking)； (二)延性降低裂縫(Ductility-Dip Cracking)。

而不論是那一種熱裂縫，都有如下相同的特徵：(a)裂縫發生於銲接 凝固過程中；(b)裂縫一定是沿著晶粒邊界發生，亦即皆屬於沿晶裂縫 (Intergranular Cracking)；(c)裂縫發生時，於固體晶粒邊界有液體薄 膜存在。

圖1-6 銲接熱裂縫的分類^[58]

二、銲道金屬的凝固裂縫

(一)銲道金屬的凝固熱裂之理論

凝固熱裂發生於銲道凝固過程接近完成時，又稱銲接金屬熱裂(Weld Metal Hot Cracking)。其發生的原因可歸納為：(a)在高溫下的凝固過程 中，材料的延性大幅降低；(b)在凝固過程中承受應力或應變的作用。在 鑄造及銲接凝固熱裂機構的研究，已有很多理論提出，如收縮脆化理論 (Shrinkage Brittleness Theory)，應變理論(Strain Theory)，液化膜 理論(Liquid Film Theory )，綜合理論(Generalized Theory)，液體填 充 裂 縫 理 論 (Liquid Filled Crack Theory) ， 晶 界 滑 移 理 論 (Grain Boundary Sliding Theory) 及 臨 界 速 率 理 論 (Critical Speed Theory) 等。而目前最合理也較為多數人接受的是由Borland 在1960 年所提出的

綜合理論(Generalized Theory)，這個理論基本上它是歸納、修正及擴充 收 縮 脆 化 理 論 (Shrinkage Brittleness Theory) 與 應 變 理 論 (Strain Theory)而成的。以下僅就綜合理論之機構敘述如下：

Borland在1960 年提出此理論來解釋在凝固過程中液相之金屬溶液與 固相的固化晶粒之量與分佈對熱裂敏感性的影響，其將凝固過程分為四個 階段，如圖1-7^[60]、1-8^[61]所示。

第一階段：樹枝狀晶結構形成(Primary Dendrite Formation)

樹枝狀晶結構開始形成，尚未成長而連結之自由樹枝狀初晶，可自由 的分佈在熔融金屬液中，此時填充率(Rate of Feeding,ROF)＞凝固率 (Rate of Shrinkage,ROS)，故此階段無凝固裂縫產生。

第二階段：樹枝狀晶結構相互連結(Dendrite Interlocking)

第一階段分佈於金屬液中之樹枝狀初晶，在此階段開始相互連結，殘 留金屬液尚能夠在相互連結的樹枝狀晶間自由移動，若此時有裂縫產生，

則殘留金屬液可填充而使裂縫癒合，故此階段無凝固裂縫產生。

第三階段：晶界成長(Grain Boundary Development)

在此階段已相互連結之樹枝狀晶持續成長，晶界已近乎完全長成，因 而限制了殘留金屬液的流動，此時若有裂縫發生，殘留金屬液無法回填，

所以此裂縫無法癒合。

第四階段：完全凝固(Complete Solidification)

殘留金屬液皆已完全凝固，此時強度與延性均已提高許多，故此階段 無凝固裂縫產生。

圖1-7 凝固熱裂綜合理論示意圖^[60]

圖1-8 凝固熱裂示意圖^[61]

Borland 特別稱第三階段為臨界凝固範圍(Critical Solidification Range,CSR)，是自連結溫度開始到完全凝固之溫度範圍。若此臨界凝固範 圍愈大，則代表熱裂敏感性(Hot Cracking Susceptibility)愈高，亦即銲 接金屬愈容易產生熱裂。

Borland 認為在銲件中會有一些不完全連續的金屬液薄膜存在於已固

Borland 認為在銲件中會有一些不完全連續的金屬液薄膜存在於已固