第三章 實驗方法與程序
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
55
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
56
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
58
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
60
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
61
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
62
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
63
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 金屬光澤；銲道外觀較佳的為使用助銲劑 SiO2-MoS2與 MoS2-NiO。
SiO2 - MoO3 SiO2 - NiO
MoO3 - NiO SiO2 - MoS2
MoS2 - NiO MoS2 - MoO3
圖 4-15 銲道外觀圖-混合型助銲劑
64
65 之銲接電流(150A)與銲槍走速(150 mm/min)下，超合金 Inconel 718 深寬比 為 0.24，較 304 不銹鋼之深寬比 0.31 為差，約減少了 29%。 3 sigma 0.01 0.06 0.02
提 升 3 sigma 0.15 0.62 0.20
提 升 3 sigma 0.78 0.53 0.34
提 升
150A 170A 190A
銲道
66
67
4.3.3 銲接電流銲道剖面形狀與熔融面積之影響
由圖 4-21 的銲道剖面可以看出，相對於電漿銲接，TIG 銲接製程之銲 道屬於寬且淺之銲道。因其電弧熱量無法集中，故即使提高工作電流，銲 道熔融金屬只能往銲道兩旁流動，進而形成寬且淺之銲道。故銲道深度一 般小於 2.5 mm，適合銲接較薄之工件。
由表 4-6 及圖 4-22 所示，提高銲接電流會使銲道熔融面積增加。電流 在 190 A 時比 150 A 之電流，銲道熔融面積增加比例可達 41%。這是由於 提高銲接電流會提高銲接熱輸入量與降低銲件冷卻速率，因此會增加銲道 熔融面積。
銲道熔融面積可簡化用來代表電弧之效率。但相對地，過大之電流，
卻會使銲道之深寬比及熔深降低。
A 區 B 區 C 區
150 A
170 A
190 A
圖 4-21 不同銲接電流與取樣位置之銲道剖面圖
68
平均 14.88 18.77 21.04
3 sigma 0.33 2.55 0.59
面 積 增 加 比 例 0.0% 26% 41%
150A 170A 190A
0.20
150A 170A 190A
銲
69
SiO2 NiO MoS2 MoO3 Cr2O3 TiO2 MnO2 ZnO W/O flux
電
70
3 sigma 0.02 0.08 0.09 0.08 0.02 0.19 0.01 0.05 0.06
深 寬 比
SiO2 NiO MoS2 MoO3 Cr2O3 TiO2 MnO2 ZnO W/O flux
銲
71
3 sigma 0.14 0.73 0.29 0.39 0.13 0.78 0.58 0.18 0.62
銲 道 熔 深
SiO2 NiO MoS2 MoO3 Cr2O3 TiO2 MnO2 ZnO Without flux
銲
72
3 sigma 0.30 0.29 0.68 1.28 0.34 1.99 1.56 0.85 0.53
銲 道 寬 度
SiO2 NiO MoS2 MoO3 Cr2O3 TiO2 MnO2 ZnO W/O flux
銲
73
A 區 B 區 C 區
SiO2
NiO
MoS2
MoO3
Cr2O3
TiO2
MnO2
ZnO
圖 4-27 單一型助銲劑之銲道剖面圖
74 A 區 20.51 19.58 16.79 14.87 16.05 14.72 12.84 17.30 19.61 B 區 19.39 19.22 15.96 15.21 16.18 17.61 12.45 17.90 18.80 C 區 19.27 21.24 16.84 15.91 16.02 17.04 16.81 18.06 17.90 平均 19.72 20.01 16.53 15.33 16.08 16.46 14.03 17.75 18.77
3 sigma 2.05 3.24 1.48 1.60 0.27 4.59 7.23 1.21 2.55
熔 融 面 積
SiO2 NiO MoS2 MoO3 Cr2O3 TiO2 MnO2 ZnO W/O flux 銲
75
SiO2.MoO3 SiO2.NiO MoO3.NiO SiO2.MoS2 MoS2.NiO MoS2.MoO3 Without flux
電
76
3 sigma 0.21 0.28 0.19 0.08 0.03 0.05 0.06
深 寬 比
SiO2.MoO3 SiO2.NiO MoO3.NiO SiO2.MoS2 MoS2.NiO MoS2.MoO3 Without flux 銲
77
3 sigma 0.97 2.01 1.16 0.39 0.09 0.36 0.62
銲 道 熔 深
3 sigma 1.15 1.01 0.71 0.54 0.41 0.33 0.53
銲 道 寬 度
SiO2.MoO3 SiO2.NiO MoO3.NiO SiO2.MoS2 MoS2.NiO MoS2.MoO3 Without flux 銲
78
SiO2.MoO3 SiO2.NiO MoO3.NiO SiO2.MoS2 MoS2.NiO MoS2.MoO3 Without flux 銲
79
A 區 B 區 C 區
SiO2
MoO3
SiO2
NiO
MoO3 NiO
SiO2
MoS2
MoS2
NiO
MoS2 MoO3
圖 4-33 混合型助銲劑之銲道剖面圖
80
表 4-18 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔融面積之影響
銲 道 熔 融 面 積 SiO2 SiO2 MoO3 SiO2 MoS2 MoS2 Without
(mm2) MoO3 NiO NiO MoS2 NiO MoO3 flux
A 區 19.32 19.18 19.17 17.70 15.51 17.04 19.61
B 區 19.75 22.13 19.75 17.33 15.80 17.51 18.80
C 區 20.79 19.48 19.10 17.64 16.29 15.43 17.90
平均 19.95 20.26 19.34 17.56 15.87 16.66 18.77
3 sigma 2.27 4.87 1.07 0.60 1.18 3.27 2.55
熔 融 面 積 (Hardness Vickers)之間；若取其平均值，則母材的硬度約為 236.3 Hv (母材 1)及 231.8 Hv(母材 2)。
SiO2.MoO3 SiO2.NiO MoO3.NiO SiO2.MoS2 MoS2.NiO MoS2.MoO3 Without flux 銲
81
依據章節 3.11 之規範，取圖 3-8 之 B 區，來進行銲件微硬度測詴。依 據所使用的助銲劑種類來分類，將銲道線(Fusion line)內及外的硬度值各取 平均值，並依所使用的助銲劑種類來做圖。由圖 4-36 中之數據可知，無論
Distance from the weld bead center
母材1 母材2
82
母材1 150A 190A MoS2-MoO3 MoO3-NiO MoS2-NiO MnO2 Cr2O3 SiO2 SiO2-MoO3
Hardness(Hv)
Distance from the weld bead center
150A
Distance from the weld bead center
170A Fusion Line (F.L.) Fusion Line (F.L.)
F.L. F.L.
母材1 母材2 150A 170A 190A SiO2 MoS2 MoS2 MoO3 TiO2 MoS2 ZnO MnO2 SiO2 Cr2O3 NiO SiO2 MoO3 SiO2 NiO MoO3 NiO NiO MoS2 MoO3
83
Distance from the weld bead center
190A
Distance from the weld bead center
SiO2
Distance from the weld bead center
NiO
F.L. F.L.
F.L. F.L.
F.L. F.L.
SiO2
84
Distance from the weld bead center
MoS2
Distance from the weld bead center
MoO3
Distance from the weld bead center
Cr2O3
85
Distance from the weld bead center
TiO2
Distance from the weld bead center
MnO2
Distance from the weld bead center
ZnO
86
Distance from the weld bead center
SiO2-MoO3
Distance from the weld bead center
SiO2-NiO
Distance from the weld bead center
MoO3-NiO
87
Distance from the weld bead center
SiO2-MoS2
Distance from the weld bead center
MoS2-NiO
Distance from the weld bead center
MoS2-MoO3
88
4.5 助銲劑與銲接電流對銲道顯微結構之影響
超合金 Inconel 718 為固溶退火之狀態，其顯微結構如圖 4-54 所示，為 微細之等軸狀晶粒，由文獻中[13]可查知，圖中在基地上之黑點為碳化物。
此碳化物更兩種，一種為含大量的 Nb 及少量 Ti 之碳化物，此碳化物是以 (Nb, Ti)C 之形式存在；另一種為含大量的 Ti、N 及少量的 Nb 和 C，因此，
此氮化物以 TiN 形式存在。
50X 1000X
未銲接過 之母材
圖 4-54 超合金 Inconel 718 母材之顯微結構
圖 4-55 銲道橫截面圖[13]
銲道金相觀察取樣位置 熱影響區金相觀察取樣位置
銲道 熱影響區
89
母材 Bead-on-Plate 銲接之橫截面如圖 4-55 所示，母材經過銲接後，其 顯微結構更明顯改變，此亦為影響機械性質之重要因素。由顯微鏡放大觀 察可以明顯分辨銲道、熱影響區以及母材三個區域。由圖 4-56 至圖 4-65 可 以觀察到銲道中以樹枝狀晶(dendrite)結構為主，而熱影響區中更明顯晶粒 粗大的現象。在不同的銲接電流下，觀察圖 4-56 熱影響區之晶粒大小，其 中以 170 A 之晶粒相對較為細緻，故其在銲道線外約 0.5 mm 之硬度值相對 較高，如圖 4-37 至圖 4-39 所示。
熱影響區 銲道
150 A
170 A
190 A
圖 4-56 熱影響區及銲道之金相觀察-不同銲接電流(50x)
參考文獻[13]之資料，並藉由圖 4-57、圖 4-60、圖 4-61、圖 4-64 及圖 4-65 之觀察，可以約略看出 Laves 相周圍基地及樹狀晶基地，因本研究並 未觀察二次電子成像及背向電子成像，故無法明確在樹枝狀晶間觀察到不
90
規則析出之 Laves 相。Laves 相是在凝固過程中所產生的一種偏析相，因此 在樹枝狀晶之間出現。
而銲道中顆粒狀之析出物更兩種，分別為 Nb-rich 碳化物及 Ti-rich 氮化
而銲道中顆粒狀之析出物更兩種，分別為 Nb-rich 碳化物及 Ti-rich 氮化