第四章 討論
4.5 EBW 銲接法與 TIG 銲接法的比較
4.5.2 EBW 銲接法與 TIG 銲接法的微織構比較
在本實驗中，母材來自於半連續鑄造法的鑄錠，故本身織構特性呈現random 的現象，故對於兩種不同銲接法銲道的織構而言，可以扣除其原先織構對銲道織 構的影響性，而只單單考慮熱流效應和合金元素的影響。
對於在兩種銲接法的銲道織構特性中，可發現皆因熱流方向決定其主要織構 特性，而其異同如以下所示：
(1) 皆有 TD 和 WD 方向熱流合力形成的織構特徵，在 EBW 中為{101−0}<112−2>
織構，而在TIG 中則為{101−0}<12−13>織構。但由其中又可發現，在EBW 中其織構<112−0>方向與WD 方向夾角約 30 度，而在 TIG 中其<112−0>方 向則與WD 方向夾角約 60 度。故此表示在 EBW 銲接法中，WD 方向熱流所 佔的效應較TIG 銲接法中大，故所形成織構其<112−0>會較靠近WD 方向，
而相對下這也表示，在TIG 銲接法中，其 TD 方向熱流佔有較大的影響力。
考慮此原因可能是因為，在EBW 中其銲接速度較快，故在 WD 方向其冷卻 速率較快(移除熱的能力較好)，故 WD 方向熱流影響亦較大；反觀，TIG 銲 接法，其銲速(6.15 mm/s)遠小於 EBW 中的銲速，故在 WD 方向移除熱能力 相較下呈現較差的現象，故WD 方向熱流的影響便無 EBW 中來的大。
(2) 皆有 TD 方向熱流單獨影響下形成的織構，在 EBW 和 TIG 中均是
>
< −
−1} 1012 1
10
{ ，故這表示TD 方向熱流效應(熱移除能力)，對此二種銲接法 的冷卻過程中佔有一定的重要性。
(3) 皆有 ND 和 TD 方向熱流合力形成的織構，在 EBW 中為{112−1}<101−0>織構，
而在TIG 中為{112−1}<16−56− >織構。但由當中又可發現，因在EBW 銲接法 中，試片厚度是30 mm，而在 TIG 中是 3 mm，故 EBW 其 ND 方向移除熱的 能力較TIG 中來的強，故呈現的{112−1}<101−0>織構，受ND 方向熱流影響 較大，其他方向的影響非常小；而反觀TIG 銲接法中所呈現的{112−1}<16−56− >
織構，其ND 方向熱流雖佔主導地位，但是 TD 和 WD 方向的效應亦是佔有 絕對的影響力，故此差異便造成兩銲接法織構的差異性。
由以上可知，在兩種銲接法中，三個方向的熱流對銲道織構均佔有一定的影 響力，而在EBW 中，相較於 TIG 銲接法，其 WD 方向的熱流效應較大，亦即是 在其WD 方向冷卻速率較快，而且對於其 WD、TD 與 ND 三方向熱流效應，隨 著不同部位，均對銲道織構佔有一定的主導地位；而在TIG 中，則可發現其 TD 方向的熱流效應似乎遠大於其他方向，故每個織構均受到TD 方向熱流的影響，
故可以知道在TIG 銲接的冷卻過程中，TD 方向是主要的方向。
此外，對於合金元素的影響，我們並沒發現明顯的差異於EBW 銲接法中；
但對於TIG 銲接法，則可發現隨 Al 含量增加，其織構複雜性的增加，以及冷卻 速率隨Al 增加而變小，造成 TIG 每個方向熱流的影響力相近，且在 AZ91 中出 現<112−0>平行WD 方向的織構。考慮原因，可能是因為 EBW 銲接法，其冷卻 速率較快，故在快速凝固後，只剩下所觀察到的三種織構特徵，而其他織構可能 因來不及成長或者較微弱而無法呈現；而在TIG 銲接法中，因其冷卻速率較慢，
故織構較有足夠的時間依其擇優取向成長，再加上三種合金造成冷卻速率上的差 異，故冷卻速率越慢時，銲道呈現出較種類多且強度均等且較弱的織構特徵。
五. 結論
AZ 系列 Mg 基合金，在經過電子束銲接法和惰性氣體電弧銲接法後，根據 所獲得的實驗結果，可得到以下結論：
(1) 在電子束銲接法中，對於相同成分材料，當銲速的增加，其冷卻速率越大，
造成晶粒細化的效果越好，故在拉伸強度、微硬度等機性測試方面均展現良 好。
(2) 在電子束銲接法中，當熱輸入量相同時，隨著 Al 含量的增加，其冷卻速率 越小，所以造成晶粒細化的效果變差，但隨著溶質原子的增加，對於晶粒成 核效應亦有幫助，而且由實驗中可知，AZ61 相較於同銲接參數的 AZ31，
其晶粒尺寸仍呈現細化現象，故代表Al 含量造成造成晶粒細化的效果大於 隨Al 含量增加而遞減的冷卻速率之效應。而此結果在 TIG 銲接法中亦然。
(3) 在電子束銲接法的銲道不同部位中，其冷卻速率是下部 > 中部 > 上部，這 可由OM 照片中其晶粒尺寸的大小關係與晶粒型態獲得驗證，故不同部位展 現的機械性質亦是以冷卻速率較快的銲道下部為最好。
(4) 隨著 Al 含量的增加，在兩種銲接方式中，其銲深與銲寬均有增加的趨勢，
但在熔入比方面，電子束銲接法則呈現增加的現象，而惰性氣體電弧銲接法 呈現降低的現象。
(5) 隨著 Al 含量的增加，在兩種銲接方式中，其熔融的界線都越來越模糊；而 且在惰性氣體電弧銲解法中，因其熱輸入量較大，故此現象更益明顯。
(6) 在電子束銲接法中，對於相同材料中，在不同的銲速與銲道不同部位的影響 下，因其冷卻速率的差異，使其晶粒型態呈現出不同型態，在AZ31-16 中 整個銲道都呈現等軸晶；而在AZ31-20 中，由上部到下部呈現由等軸樹枝 晶過渡到等軸細胞晶的型態；而在AZ31-35 中，則呈現較銲速 16 mm/s 中 更小的等軸細胞狀晶粒。此外，在AZ31-35 下部裡發現柱狀區的顯微組織，
與鑄造所產生的型態相類似。
(7) 在惰性氣體電弧銲接法中，隨著合金元素 Al 含量的增加，其冷卻速率隨之
下降，再加上組成過冷的影響，故在AZ31 中形成較大的等軸細胞晶，而在 AZ61 和 AZ91 中形成較小的等軸樹枝晶。而也由於以上的差異，進而影響 TIG 銲接法在不同材料中所展現的機械性質以及銲道織構特性。
(8) 在電子束銲接法的銲道微織構分析中，其織構特性主要隨熱流方向來發展。
在銲道上部，受WD 和 TD 方向熱流效應較大；在中部時，則 WD、TD、
ND、三著效應均有；下部時，則主要以 ND 與 TD 為主。而且此種效應，
隨著冷卻速率的變化，會使得不同部位受各方向熱流的影響效應，有上下平 移的改變。
(9) 在電子束銲接法中，其主要三種織構分別{101−1}<101−2>織構，其TD 方向 平行[112−0]，{112−1}<101−0>織構，其ND 方向與[112−0]約成15o，以及
>
< −
−0} 1122 1
10
{ 織構，其WD 與[112−0]方向約成30o。且隨著冷卻速率的改 變，其織構的強弱會有相互的變化。此外，在EBW 銲接法中，並無明顯發 現合金元素對銲道織構特徵造成的影響。
(10)在惰性氣體電弧銲接法中，其主要織構特徵為{112−1}<16−56− >織構，其ND 方向與[112−0]方向約成15o且與WD、TD 皆有夾角，{101−0}<12−13>織構，
其WD 方向與[112−0]方向約夾 60 o ，{101−2}<1−011>和{101−1}<101−2>織構，
其TD 方向平行於[112−0]方向。且隨著冷卻速率的降低，其織構強度會呈現 相近且較弱的現象。
(11)在惰性氣體電弧銲接法中，其銲道織構特性隨著Al 含量的增加，亦即是冷 卻速率的減慢，而趨於複雜化(種類較多)，而且每個織構的強度會呈現相近 且微弱。此外，在不同冷卻速率中，在冷卻速率較慢的材料中，三方向熱流 效應變的約略相同，故會出現受WD 方向熱流影響的{101−0}<112−0>織構，
而在冷卻速率較快的材料中，則出現TD 熱流影響為主的其他織構特徵。
(12)在EBW 和 TIG 兩種銲接法的機性比較中，當熱輸入量相當時可發現，EBW 銲後的拉伸強度與微硬度值皆較TIG 銲接法來的高，但是在伸長量方面則 相差無幾。
(13)兩種織構特性的比較中，發現三方向的熱流對銲道織構特徵均佔有一定的影 響。而較值得注意的是，TIG 的銲道織構特徵主要受 TD 方向熱流所主導。
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表 1-1 各種材料物理與機械性質的比較[02]
材料 Cast Mg Wrought Mg Cast Iron Steel Cast Al Wrought Al Plastics(PC/ABS) 合金 AZ91 AM50 AZ80-T5 AZ31-H24 Class-40 Galva
nized
380 A356-T6 6061-T6 5182-H24 Dow Pulse 2000
製程 Die cast
Die cast
Extrusion Sheet Sand cast Sheet Die cast
P/M cast Extrusion Sheet Injection
密度(g/cm3) 1.81 1.77 1.80 1.77 7.15 7.80 2.68 2.76 2.70 27.0 1.13 彈性係數(GPa) 45 45 45 45 100 210 71 72 69 70 2.3 降伏強度
(MPa)
160 125 275 220 N/A 200 159 186 275 235 53
抗拉強度 (MPa)
240 210 380 290 293 320 324 262 310 310 55
延伸率(%) 3 10 7 15 0 40 3 5 12 8 5(降伏),125(斷) 疲勞強度(MPa) 85 85 - - 128 - 138 90 95 - -
熱傳導係數 (W/m,K)
51 65 78 77 41 46 96 159 167 123 -
熱膨脹係數 (mm/m.K)
26 26 26 26 10.5 11.7 22 21.5 23.6 24.1 74
熔點(℃) 598 620 610 630 1175 1515 595 615 652 638 143(軟化溫度)
表 1-2 鎂的基本物理與機械性質[06]
表 1-3 有關合金元素對鎂合金的影響[06]
表 1-4 AZ 系列合金主要元素與 Fe 元素的熱物理性質之比較[13,16]
Mg Al Zn Fe Melting point Tm(℃) 650 660 420 1535 Boiling point Tb(℃) 1107 2060 930 2730 Vapor pressure (Pa) at Tm 360 10-6 23 2.3
Vapor pressure (Pa) at 727 ℃
1.36x103 1.2x10-5 1.2x104 0 Viscosity (MPa s at Tm) 1.25 1.3 3.5 6 Surface tension (N/m) 0.56 0.91 0.78 1.87
Thermal conductivity of solid at Tm (Wm-1K-1)
310 0.333
210 0.22
9 0.144
30 - Specific heat (cal/g.℃) 0.245 0.215 0.0915 0.11 Heat of fusion (cal/g) 88 94.5 24.09 65.5
Cofficient of linear thermal expansion
(μin/in℃)
27.1 23.6 39.7 11.76
表 1-5 不同晶體結構的{hkl}<uvw>轉換公式(Roe system)[29]。
Roe system
Cubic system
L K H
L K H
=
c 0 0
0 b 0
0 0 a
θ ϕ θ
ϕ θ
−
cos sin sin
cos sin
W V U
W V U
=
c 0 1 0
b 0 0 1
0 a 0
1
ψ θ
ϕ ψ
− ϕ ψ θ
−
ϕ ψ
− ϕ ψ θ
cos sin
cos sin sin
cos cos
sin sin cos cos cos
Hexagonal system
L I K H
L I K H
=
−
−
−
a 0 c
0
2 0 1 2
3
0 1
0
2 0 1 2
3
θ ϕ θ
ϕ θ
−
cos sin sin
cos sin
W T V U
W T V U
=
−
−
−
a 0 c 0
3 0 1 3 1
3 0 0 2
3 0 1 3 1
ψ θ
ϕ ψ
− ϕ ψ θ
−
ϕ ψ
− ϕ ψ θ
cos sin
cos sin sin
cos cos
sin sin cos cos cos
表 1-6 六方晶金屬的 c/a 比值與滑移系統[25]。
Metal c/a
c/a 與理 想值 (1.633)
的偏差
基面臨界 分解剪應 力(MPa)
Principal slip system
Secondary slip system
Other slip system
鈹 Be 1.586 -0.4% 39 {0001}<1120
− > {1010
− }<1120
− >
{1011
− }<1120
− >
{1122
− }<1123
− >
鈦 Ti 1.588 -2.8% 110 {1010
−
}<1120
−
> {0001}<1120
−
>
{1011
−
}<1120
−
>
{1122
−
}<1123
−
>
鋯 Zr 1.590 -2.4% - {1010
−
}<1120
−
> {0001}<1120
−
>
{1011
−
}<1120
−
>
{1122
−
}<1123
−
>
鎂 Mg 1.624 -0.6% 0.43 {0001}<1120
− > {1010
− }<1120
− >
{1011
− }<1120
− >
{1122
− }<1123
− >
理想
球體 1.633 - - -
鋅 Zn 1.856 +13.6% 0.18 {0001}<1120
−
> {1122
−
}<1123
−
> {1010
−
}<1120
−
>
鎘 Cd 1.886 +15.5% 0.57 {0001}<1120
−
> {1122
−
}<1123
−
>
{1010
−
}<1120
−
>
{1011
−
}<1120
−
>
{0001}<1120
− > ÎBasal {1010
−
}<1120
− >ÎPrismatic
{1122
−
}<1123
− > Î Pyramidal {1011
−
}<1120
− >ÎPyramidal
表 2-1 鎂合金 AZ31、AZ61、AZ91 的化學成分組成(wt%)。
材料 Mg Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Be AZ31B Bal. 3.02 1.01 0.30 0.0067 0.0028 0.0031 0.0001 - AZ61 Bal. 5.88 0.74 0.28 - - - AZ91D Bal. 9.07 0.62 0.331 0.0172 0.0026 0.0006 0.0004 0.0002
表 2-2 電子束銲接法 30 mm 厚板之銲接參數。
銲接機 真空度
torr
電子槍 真空度
torr
電壓 kV
電流 mA
功率 W (kV*mA)
走速 mm/s
熱輸入量 J/mm
6x10-5 4x10-6 55 35 1925
16 20 35
120.31 96.25
55
表 2-3 惰性氣體電弧銲接法 3 mm 薄板之銲接參數。
交流電 頻率
Hz
電壓 V
電流 A
功率 W (V*A)
走速 mm/s
熱輸入量 J/mm
60 12 50
600
6.15 97.56