第四章 實驗結果與討論
4.5 CO 2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧型態之影響
4.5.1 CO 2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧之影響
在添加Flux於TIG製程中，在諸多研究[33][34]中皆可發現電漿電弧柱會產 生收縮現象，因電漿電弧柱收縮現象將可有效集中電弧熱量，進而使銲道熔透 深度增加，由於電漿電弧中心區域的溫度要遠高於分子解離溫度，因此助銲劑 在電漿電弧的高溫作用下，助銲劑中的原子將會被電離成電子與正離子。而在 相對溫度較低的電漿電弧柱外圍區域，助銲劑中被蒸發的物質仍會以分子或解 離原子的形態存在，且解離原子將會大量地吸附電漿電弧柱周邊區域中的電子 而形成負離子，使得電漿電弧柱周邊區域中作為主要導電物質的電子數急劇減 少，亦即會降低電漿電弧柱之導電能力或縮小電漿電弧柱之導電面積，進而迫 使電漿電弧柱產生收縮現象。至於此現象將可有效的集中電弧熱量，進而使銲 道熔透深度增加。藉由電弧收縮拍攝可以與銲道深寬比圖表作對應，可以很清 楚的得知電漿電弧收縮的比例愈大，則銲道截面之熔透深度就呈現窄而深狀 態；相對地，當電漿電弧柱收縮不明顯時，則銲道截面之熔透深度就會呈現寬 而較淺狀態。
本次的實驗過程中，我們利用CCD拍攝銲接時電弧柱變化並擷取記錄下 來。如圖4-26至圖4-32所示，並未能明顯觀察出CO2添加於傳統氬銲及添加混 合型助銲劑製程中，其電弧緊縮的變化之情形，這可能是由於電弧會沿著銲接 方向產生拖曳的情形，故沿著銲接方向拍攝之電弧，其寬度變化較小，不易觀 察到其差異，但若由垂直於銲接方向來觀察電弧，應可明顯看到電弧拖曳的情 形，電弧大小之變化則相對明顯。由4-33至4-39圖中，得知本實驗量測電弧寬 度數值，其電弧寬度差異不大。
此外，在實驗中亦可發現到，隨著CO2添加量增加使鎢電極受到汙染而耗 損，造成電漿電弧柱呈現不穩定狀態，易產生左右偏移之現象，因此無法有效 的集中電弧熱量，進而使銲道呈現寬而淺的銲道型態。
90
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-26 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (0%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-27 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (0.5%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-28 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (1%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-29 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (2.5%)
92
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-30 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (5%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-31 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (7.5%)
( g )：CO2添加量：10%
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-32 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響 (10%) 4.5.2 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對陽極斑點之影響
陽極斑點(Anode spot)即是銲接過程中呈熔融狀態的熔池，因本實驗所使 用的A-TIG 銲接模式為直流電極負，銲炬為陰極，母材為陽極，藉由 CCD 拍 攝母材實驗時的陽極斑點的變化，其對銲道的幾何形狀亦有明顯的影響。
在A-TIG 銲接過程中，除了電漿電弧會產生收縮現象外，位於銲池中的 陽極斑點亦會產生明顯的緊縮現象，但要從圖4-40 至 4-46 可知，若要直接量 測陽極斑點的收縮狀況，因熔池內熔融金屬的拖曳現象，並無法進行直接量測 得知；因其收縮情形，將直接影響銲道寬度與熱輸入量的關係，當其單位面積 內所收到的熱輸入量越大，即表示其熔接效率較佳，故在此計算將熱輸入量除 以銲道寬度，可得單位面積之熱輸入量，將其值再除以未添加助銲劑之熱輸入 量可得其影響係數，並進行比對其係數差異，即可得知其陽極斑點收縮之比例。
由圖4-33 至 4-39 可知，在傳統氬銲中添加助銲劑可有 3%之收縮比例，
且添加銲條可使增加至8~8.7%之收縮比例，且隨著 CO2添加量增加其陽極斑
94 漿對流所產生的氣動拖曳力(Aerodynamic drag force)，進而形成窄而深的銲 道截面形狀。此外，混合型助銲劑添加於母材試片表面或銲條表面，觀察其陽
Fulx 304 Without Flux
電弧及銲道寬度(mm)
23.57%
Fulx 304 W ithout Flux
電弧及銲道寬度(mm)
Fulx 304 W ithout Flux
電弧及銲道寬度(mm)
96
Fulx 304 W ithout Flux
電弧及銲道寬度(mm)
Fulx 304 W ithout Flux
電弧及銲道寬度(mm)
-9.51%
Fulx 304 W ithout Flux
電弧及銲道寬度(mm)
Fulx 304 W ithout Flux
電弧及銲道寬度(mm)
98
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-40 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(0%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-41 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(0.5%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-42 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對陽極斑點之影響 (1%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-43 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響 (2.5%)
100
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-44 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對陽極斑點之影響 (5%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-45 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響 (7.5%)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-46 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對陽極斑點之影響 (10%) 4.6 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道肥粒相含量之影響
304 不銹鋼於未銲接前乃屬於面心立方體結構的沃斯田鐵相組織，但於銲
接過程中由於銲道部份熱輸入量較大而且集中，因此在銲道組織中所殘留的體 心立方體的肥粒相組織密度也較高；本實驗量測結果如圖4-47 所示，因未添 加氮化物所以採用雪弗圖來進行分析及說明，依公式 2-2 及 2-3 計算銲條及母 材材料成分計算其 Nieq及Creq其分別為Nieq為11、Creq為19.9、Nieq/Creq為 1.81，並配合雪弗圖(Schaeffler diagram)，預測其肥粒相含量為 10FN，由表 可觀察出在TIG 製程中未添加 CO2，其肥粒相含量量測值11.3 FN 與預測值 相近，隨著CO2添加而有下降趨勢，依雪弗圖推論因添加CO2 (CO2 → CO + O)，其氣體中的碳於銲接過程中亦進入熔池內，由 Nieq計算式中可知碳元素 對銲道肥粒相析出有抑制的效果。故推論於銲道其除氧化物增加外，其碳化物 應隨添加量增加而增加。於A-TIG 製程中未添加 CO2條件下，其肥粒相含量 量測值10.1 FN 與未添加助銲劑差異不大，且銲條的添加亦無明顯之差異。添 加CO2於A-TIG 製程中，由實驗結果與趨勢圖進行比對可知隨著 CO2添加而
102
Ferrite Content (FN)
Flux添加於304母材 + 308銲條 304母材+Flux添加於308銲條 Flux添加於304母材 Without Flux
圖 4-47 CO2氣體添加於A-TIG 銲接對銲道肥粒相含量之影響 其Creq / Nieq 為 1.81 依據 Suutala 提出之凝固時的微觀結構，為型式 B(1.48＜Creq / Nieq＜1.95)的固化型態，固化時肥粒相為主要相，沃斯田相 則存在於枝狀結構中。由圖4-48 至 4-56 中的顯微組織金相照片觀察其熱影響 區及銲道組織，可觀察出其組織均為輻射形樹枝狀顯微凝固組織，在熱影響區 明顯為樹枝狀肥粒相(Dendritic ferrite)結構，且晶粒較粗大；銲道呈現較散亂 的樹枝狀結構排列，熱影響區相較下較完整；再由圖4-57 至 4-65 中，觀測銲 道中組織金相，且晶體結構較不完整(如 Acicular ferrite)，主要為在冷卻過程 中銲道相較於熱影響區冷卻速率較快，晶粒來不及完整發展所致；在添加助銲 劑條件下，其晶粒較未添加時為大；CO2添加在傳統氬銲製程中，可發現當添 加量增多時，形成較粗大的肥粒相(Coarse ferrite)。
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖 4-48 Ar – 0%CO2對A-TIG 銲接金相圖(100x)
104
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖4-49 Ar – 0.25%CO2對 A-TIG 銲接金相圖(100x)
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖4-50 Ar – 0.5%CO2對 A-TIG 銲接金相圖(100x)
106
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖4-51 Ar – 0.75%CO2對 A-TIG 銲接金相圖(100x)
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖 4-52 Ar – 1%CO2對A-TIG 銲接金相圖(100x)
108
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
With- out Flux
圖4-53 Ar – 2.5%CO2對 A-TIG 銲接金相圖(100x)
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖 4-54 Ar – 5%CO2對A-TIG 銲接金相圖(100x)
110
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux
308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖4-55 Ar – 7.5%CO2對 A-TIG 銲接金相圖(100x)
熱影響區 銲道
Flux 母材 + 308 銲條
母材 + Flux 308 銲條
Flux 母材
Without Flux
圖4-56 Ar – 10%CO2對A-TIG 銲接金相圖(100x)
112
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-57 Ar – 0%CO2對A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-58 Ar – 0.25%CO2對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-59 Ar – 0.5%CO2對A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-60 Ar – 0.75%CO2對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)
114
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-61 Ar – 1%CO2對A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-62 Ar – 2.5%CO2對 A-TIG 銲道顯微組織之影響%(200x)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖 4-63 Ar – 5%CO2對A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)
Flux 添加於 304 母材+ 308 銲條 304 母材+ Flux 添加於 308 銲條
Flux 添加於 304 母材 Without Flux
圖4-64 Ar – 7.5%CO2對A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)