麻時效鋼銲接特性

麻 時 效 鋼 的 銲 接 性(Weldability)較優於同級之高強度低合金 鋼。由於含碳量極低的麻時效鋼於銲接過程中，其熔融區冷卻時生 成質軟且富延性之低碳麻田散鐵鑄造組織[2,18]，熔融線附近的熱影 響區為非雙晶(Untwined) BCC 麻田散鐵組織，韌性高且氫脆敏感性 較低[57]，而不需經預熱或保溫即可獲得無裂痕之銲件。雖有文獻[58]

指出，以MIG 銲接麻時效鋼發生冷裂的現象，但若將銲件施以真空 退火(Vacuum annealing)，因氫的含量低，並無冷裂的困擾[59]。依鄔 君[60]的研究文獻中指出，銲件的氫脆敏感性受時效溫度所影響，主 要是隨時效溫度升高逆變態沃斯田鐵析出量增加，而降低材料的氫 脆敏感性。在黃君[61]的研究文獻亦提出，隨時效溫度升高，銲件所 增量析出之逆變態沃斯田鐵能阻擋裂縫成長或鈍化裂縫尖端，使裂 縫成長速率降低，破裂韌性提高。一般高強度低合金鋼銲件若未經 預熱或後熱處理時，其熱影響區的組織為Untempered martensite，不 但質硬、脆及氫脆的敏感性高，易在熱影響區發生冷裂現象[15]。

麻時效鋼銲件熱裂的敏感性與材質的清淨度及銲道合金成份有 關[62]。麻時效鋼經過二次真空熔煉(Vacuum melting)，使易造成熱 裂的不純物如S、Si、C、P…等含量降低，以維持優良的韌性。此

外，合金成份中所含的Mo 元素具抑制裂縫成長作用(Crack inhibitor) [40]，故能提升抗熱裂性。

根據以往對麻時效鋼銲接的研究，其接合效率[15]以電子束 90

～100%最高，TIG 以 85％～95％次之、MIG 以 80％為最低，高熱 輸入量的銲接方法銲件強度較差，這是因為逆變態沃斯田鐵的量增 鑄造之麻田散鐵+沃斯田鐵(Martensitic + Austenite)[5]組織(圖 2-20、

2-21a)，及熱影響區可區分為三區域：緊鄰著銲道熔融線的粗晶區(圖

圖 2-20 麻時效鋼銲件銲道及熱影響區示意圖[4]

圖 2-21 C-250 麻時效鋼電子束銲道與 HAZ 之光學顯微相片：(a)銲道；(b) 熔線與粗晶區；(c)暗浸蝕帶[11]

1. 銲道組織

麻時效鋼在固溶(815℃)及時效(480℃)處理後，不會產生逆變態 沃斯田鐵[65,66]，而必須在較高的時效溫度才會發生。然而，經銲 接後直接時效處理之銲道組織因 Ni、Mo 及 Ti 合金元素的偏析，會 使逆變態沃斯田鐵生成的溫度降低[66-68]，導致在正常的 480℃時效 溫度即會發生[64,68]。因此旋形麻時效鋼銲後直接時效處理，由於

25 μm

a

25 μm

b

25 μm

c

強化合金元素的偏析作用及多量的沃斯田鐵池，使銲道的析出強化反 應不完全，而導致銲道硬度降低[11,15,68]。經由 EDS 分析顯示銲道 晶界間的逆變態沃斯田鐵池組織中 Ni、Mo 及 Ti 等合金強化元素含 量均高於銲道晶粒[11]，如圖 2-22 所示。由銲件的破斷面顯示，破 裂路徑乃是沿著沃斯田鐵池內的微裂縫(Microcrack)進行[69]，此種 時效硬化的麻田散鐵包圍較軟的沃斯田鐵池對於銲件的靭性以及延 性均有不利的影響。

根據前人所作的研究顯示[70]，時效前先作固溶處理，沃斯田鐵 池會完全消失，再作時效處理，沃斯田鐵池又再度出現，故固溶處 理無法改善銲道偏析情況。Y. Arata 與 Z. Paley 等人[68,70]建議，

C-250 銲件時效前先行 1150℃～1260℃(2100℉～2300℉)的均質化 處理，雖能使銲道偏析情況改善，但是由於晶粒粗大化，可能使銲 件脆化[8-11,15]。

圖 2-22 C-250 麻時效鋼電子束銲道之逆變態沃斯田鐵池：(a)銲道晶界間 逆變態沃斯田鐵池；(b) 逆變態沃斯田鐵池 EDS 元素能量分析圖 [11]

10 μm

a

Reversion austenite pools

b

2. 熱影響區組織

銲件之熱影響區組織可區分為三個區域：緊鄰銲道熔融線之粗 晶區(Coarse-grained region)、處於熱影響區中間之亮浸蝕區(Light- etching region)及與母材交接處之暗浸蝕帶(Dark-etching band)。

粗晶區：緊鄰銲道熔線的區域，銲接時受熱加溫至完全沃斯田鐵相 區，隨後不論冷卻速度之快慢，最後皆形成低碳粗大的板條狀麻田 散鐵組織[11]，這是因較高的沃斯田鐵化溫度所致，且因輸入熱量不 同，越靠近銲道越粗大，如圖2-21b 所示。

亮浸蝕區：此區的尖峰溫度(Peak temperature)界於粗晶區與暗浸蝕帶 之間，隨著愈接近母材，其尖峰溫度愈低，由於受到固溶以上溫度 及過時效作用，晶粒由粗大漸次縮小，且在接近暗浸蝕帶區有逆變 態沃斯田鐵逐漸生成。

暗浸蝕帶：係受銲接熱影響，溫度範圍落在 α´+γ´雙相區內，約 593℃

至 730℃之間（1100℉至 1350℉）[11,15]，呈現過時效現象。此區 域產生大量的析出物，以致該區域經化學浸蝕時易受到腐蝕液之腐 蝕，由金相觀察因凹陷處無反射光線而呈現黑色，如圖2-21c 所示。

主要的組織為麻田散鐵以及細微分散的逆變態沃斯田鐵。暗浸蝕帶 的寬窄及逆變態沃斯田鐵必須藉由擴散反應方能完成，高輸入熱量 的銲接過程在此一溫度區間停留的時間較長，因此沃斯田鐵生成量 較多及暗浸蝕帶亦較寬[8,11]。

3. 沃斯田鐵池的形成

圖2-23 為沃斯田鐵池形成示意圖[7,24]，在合金成份偏析之處，

逆變態溫度(Reversion temperature, RT)降低，甚至低於時效溫度，以 致於經時效處理後形成白色的沃斯田鐵池，由於銲道凝固時，溶質 原子不斷地由成長的樹枝狀晶端排出，所以在樹枝狀晶端內區域偏 析的情況最為嚴重，沃斯田鐵池於此處優先形成，此種沃斯田鐵極 為安全，由時效溫度空冷至室溫時仍無法變態回麻田散鐵，亦無時

效硬化的效果，雖然在麻田散鐵基地時效硬化仍可進行，但因為強 化元素(Ni，Mo)含量不足，析出硬化的結果也受影響。

圖 2-23 沃斯田鐵池形成示意圖[7,24]